Transgene Seidenraupen spinnen Spinnenseide, die 6x härter ist als Kevlar

Transgene Seidenraupen spinnen Spinnenseide, die 6x härter ist als Kevlar

Zeitstempel: 26. September 2023, 1:00 Uhr
Transgene Seidenraupen spinnen Spinnenseide 6x härter als Kevlar PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertikale Suche. Ai.

Neulich bin ich im Halbschlaf in meinem Wohnmobil kopfüber in ein Spinnennetz getaucht.

Abgesehen von den Schreien staunte der logische Teil von mir darüber, wie schnell ein einzelnes Krabbeltier in nur wenigen Stunden ein so kompliziertes – und überraschend federndes und belastbares – Netz gewebt hatte.

Spinnenseide ist ein Naturwunder. Es ist robust und widerstandsfähig gegen Beschädigungen, aber auch äußerst flexibel. Die Seide ist leicht, stark und biologisch abbaubar und kann für alles verwendet werden, von chirurgischen Nähten bis hin zu kugelsicheren Westen.

Warum sollten wir nicht mehr dieser Seiden für den menschlichen Verzehr produzieren? Spinnen sind schreckliche biologische Produktionsmaschinen. Abgesehen vom gruseligen Faktor sind sie sehr kämpferisch – wenn Sie ein paar Hundert zusammenzählen, werden Sie bald eine Handvoll Sieger und sehr wenig Produkt übrig haben.

Dank der Gentechnik haben wir nun jedoch möglicherweise die Möglichkeit, bei der Herstellung von Spinnenseide ganz auf Spinnen zu verzichten.

In eine Studie Wie letzte Woche veröffentlicht wurde, nutzte ein Team der Donghua-Universität in China CRISPR, um gentechnisch veränderte Seidenraupen zu erschaffen, die Spinnenseide produzieren können. Die resultierenden Fasern sind härter als Kevlar – eine synthetische Komponente, die in kugelsicheren Westen verwendet wird. Im Vergleich zu synthetischen Materialien ist solche Spinnenseide eine weitaus besser biologisch abbaubare Alternative, die sich leicht für die Produktion skalieren lässt.

Dr. Justin Jones von der Utah State University, der nicht an der Studie beteiligt war, nickte dem neuen Gewebe zustimmend. Das resultierende Material sei „eine wirklich leistungsstarke Faser“, sagte er sagte zu Wissenschaft.

Mittlerweile beschränkt sich ihre Strategie nach Ansicht der Autoren nicht nur auf Spinnenseide. Die Studie deckte mehrere biophysikalische Prinzipien für den Aufbau von Seidenmaterialien mit außergewöhnlicher Festigkeit und Flexibilität auf.

Weitere Experimente könnten möglicherweise Textilien der nächsten Generation hervorbringen, die über die derzeitigen Möglichkeiten hinausgehen.

Von Würmern, Arthropoden und Geschichte

Die Natur bietet eine Fülle von Inspirationen für innovative Materialien.

Nehmen Sie Klettverschluss, das Klettmaterial, mit dem Sie Ihre Badezimmerhandtücher aufhängen oder die Schuhe Ihres Kindes befestigen können. Das allgegenwärtige Material war erstmals in den 1940er Jahren vom Schweizer Ingenieur George de Mestral konzipiert beim Versuch, nach einer Wanderung Kletten von seiner Hose zu bürsten. Ein weiterer Blick unter dem Mikroskop zeigte, dass die Kletten scharfe Haken hatten, die Schlaufen im Stoff verfingen. De Mestral verwandelte das lästige Wandern in den Klettstoff, der heute in allen Baumärkten erhältlich ist.

Ein weniger stacheliges Beispiel ist Seide. Zuerst im alten China kultiviert vor etwa 5,000 Jahren, Seide wird aus zappeligen, rundlichen Seidenraupen gesponnen und auf primitiven Webstühlen zu Stoffen gesponnen. Diese zarten Seiden verbreiteten sich in ganz Ostasien und im Westen und trugen zur Entstehung der legendären Seidenstraße bei.

Doch wie jeder weiß, der ein Kleidungsstück oder Laken aus Seide besitzt, handelt es sich um unglaublich empfindliche Materialien, die leicht reißen und kaputt gehen.

Die Herausforderungen, mit denen wir bei Seidenraupenseide konfrontiert sind, sind bei den meisten Materialien gleich.

Ein Problem ist die Festigkeit: Wie viel Dehnung kann ein Material im Laufe der Zeit aushalten? Stellen Sie sich vor, Sie ziehen nach dem Waschen einen leicht eingelaufenen Pullover aus. Je weniger Festigkeit die Fasern haben, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass das Kleidungsstück seine Form behält. Das andere Problem ist die Zähigkeit. Einfach ausgedrückt geht es darum, wie viel Energie ein Material absorbieren kann, bevor es zerfällt. Ein alter Pullover kann leicht Löcher bekommen, wenn man nur daran zieht. Andererseits kann Kevlar, ein kugelsicheres Material, Kugeln buchstäblich einstecken.

Leider schließen sich die beiden Eigenschaften bei den heutigen technischen Materialien gegenseitig aus, sagte das Team.

Die Natur hat jedoch eine Lösung: Spinnenseide ist stark und widerstandsfähig zugleich. Das Problem besteht darin, die Arthropoden dazu zu bringen, Seide in einer sicheren und effektiven Umgebung zu produzieren. Diese Tiere sind bösartige Raubtiere. Hundert Seidenraupen in Gefangenschaft können in Ruhe kuscheln; Wenn man hundert Spinnen zusammenwirft, kommt es zu einem Blutbad, von dem nur eine oder zwei am Leben bleiben.

Eine Spinnenwurm-Gebärmutter

Was wäre, wenn wir das Beste aus Seidenraupen und Spinnen kombinieren könnten?

Wissenschaftler haben wollte schon lange Ingenieur ein „treffen-süß” Datum für die beiden Arten mit Hilfe der Gentechnik. Nein, es ist keine speziesübergreifende Liebeskomödie. Die Hauptidee besteht darin, Seidenraupen genetisch mit der Fähigkeit auszustatten, Spinnenseide zu produzieren.

Aber die Gene, die Spinnenseidenproteine ​​kodieren, sind groß. Dadurch ist es schwierig, sie in den genetischen Code anderer Lebewesen einzuschleusen, ohne die natürlichen Zellen zu überfordern und zum Versagen zu führen.

Hier nutzte das Team zunächst eine rechnerische Methode, um die minimale Struktur von Seide aufzuspüren. Das resultierende Modell kartierte Seidenproteinunterschiede zwischen Seidenraupen und Spinnen. Glücklicherweise spinnen beide Arten Fasern aus ähnlichen Proteinstrukturen – sogenannte Polyamidfasern –, obwohl jede auf unterschiedlichen Proteinkomponenten basiert.

Ein weiteres bisschen Glück ist die gemeinsame Anatomie. „Die Seidendrüsen heimischer Seidenraupen und Spinnenseidendrüsen weisen bemerkenswert ähnliche physikalische und chemische Umgebungen auf“, sagte das Team.

Mithilfe des Modells identifizierten sie eine entscheidende Komponente, die die Festigkeit und Zähigkeit der Seide steigert – ein relativ kleines Seidenprotein, MiSp, das in der Seide vorkommt Araneus ventricosus Spinnen aus Ostasien.

Mit CRISPR-Cas9, einem Gen-Editing-Tool, fügte das Team dann Gene, die für MiSp kodieren, in Seidenraupen ein und versetzte sie im Wesentlichen in das Spinnen von Spinnenseide. Dies zu erreichen, war ein technologischer Albtraum, der einiges erforderte Hunderttausende von Mikroinjektionen in befruchtete Seidenraupeneier, um deren Seidenspinndrüsen zu bearbeiten. Zur Überprüfung der geistigen Gesundheit fügte das Team außerdem ein Gen hinzu, das die Augen der Seidenraupen unheimlich rot leuchten ließ, was den Erfolg signalisierte.

Studienautor Junpeng Mi „tanzte und rannte praktisch zum Büro“ des Hauptautors, Dr. Meng Qing. „Ich erinnere mich lebhaft an diese Nacht, als die Aufregung mich wach hielt“, sagte Mi.

Die resultierenden Wurmspinnenseiden sind etwa sechsmal härter als Kevlar, aber dennoch flexibel. Das sei überraschend, sagte Jones, denn Fasern, die MiSp verwenden, seien nicht immer dehnbar. Als Bonus sprühten die Seidenraupen auf natürliche Weise eine Art Schutzschicht auf, um die Fasern zu stärken. Dies machte sie potenziell haltbarer als bisherige künstlich hergestellte Spinnenseide.

Das Team erforscht sein Rechenmodell weiter, um biologisch kompatible Seide für medizinisches Nahtmaterial zu entwickeln. Darüber hinaus hoffen sie, kreativer zu werden. Synthetische Biologen wollten schon lange künstliche Aminosäuren (die molekularen Teile, aus denen Proteine ​​bestehen) entwickeln. Was würde passieren, wenn wir biologisch abbaubaren Stoffen synthetische Aminosäuren hinzufügen würden?

„Die Einführung von über hundert manipulierten Aminosäuren birgt ein grenzenloses Potenzial für manipulierte Spinnenseidenfasern“, sagte Mi.

Bildnachweis: Junpeng Mi, Hochschule für Biowissenschaften und Medizintechnik, Donghua-Universität, Shanghai, China

Zeitstempel:

Mehr von Singularity Hub