Transgeensed siidiussid keerutavad ämbliksiidi 6 korda tugevamalt kui kevlar

Taasavaldanud Platon

järgijaid: 0

Transgeensed siidiussid keerutavad ämbliksiidi 6 korda tugevamalt kui Kevlar PlatoBlockchain andmeintellekt. Vertikaalne otsing. Ai.

Teisel päeval sukeldusin oma matkabussis poolunes olles pea ees ämblikuvõrku.

Kui karjed kõrvale jätta, imestas minu loogiline osa selle üle, kui kiiresti oli üksainus judinaid loonud nii keeruka – ja üllatavalt kopsaka ja vastupidava – võrgu vaid mõne tunniga.

Ämbliksiid on loodusime. See on sitke ja vastupidav kahjustustele, kuid on ka väga paindlik. Kerge, tugev ja biolagunev siidi saab kasutada kõigeks alates kirurgilistest õmblustest kuni kuulikindlate vestideni.

Miks me ei võiks neid siidi rohkem toota inimtoiduks? Ämblikud on kohutavad bioloogilised tootmismasinad. Kui jube tegur kõrvale jätta, on nad väga võitluslikud – pange paarsada kokku ja varsti jääb teile peotäis võitjaid ja väga vähe toodet.

Tänu geenitehnoloogiale võib meil aga nüüd olla võimalus ämbliksiidi valmistamisel ämblikud üldse vahele jätta.

In uuringus Eelmisel nädalal avaldatud Hiina Donghua ülikooli meeskond kasutas CRISPR-i, et luua geneetiliselt muundatud siidiusse, mis suudavad toota ämbliksiidi. Saadud kiud on sitkemad kui kevlar - kuulikindlates vestides kasutatav sünteetiline komponent. Võrreldes sünteetiliste materjalidega on selline ämbliksiid palju paremini biolagunev alternatiiv, mida saab hõlpsasti tootmiseks skaleerida.

Dr Justin Jones Utah osariigi ülikoolist, kes ei osalenud uuringus, noogutas uuele tekstile heakskiidu. Saadud materjal on "tõeliselt suure jõudlusega kiud", ta ütles et teadus.

Samal ajal ei piirdu autorid nende strateegia ämbliksiidiga. Uuring paljastas mitu biofüüsikalist põhimõtet erakordse tugevuse ja paindlikkusega siidimaterjalide ehitamiseks.

Edasised katsetused võivad potentsiaalselt anda järgmise põlvkonna tekstiile, mis ületab praegused võimalused.

Ussidest, lülijalgsetest ja ajaloost

Loodus pakub tipptasemel materjalide jaoks rohkelt inspiratsiooni.

Võtke Velcro, konksu ja aasaga materjal, mis võib riputada teie vannitoarätikuid või kinnitada teie lapse kingi. Üldlevinud materjal oli esmakordselt eostatud Šveitsi insener George de Mestral 1940. aastatel kui üritab pärast matka püksijääke maha pühkida. Täiendav mikroskoobi all vaadeldes selgus, et puuridel olid teravad konksud, mis jäid kangasse aasad kinni. De Mestral muutis matkamise ebameeldivuse tänapäeval kõikides ehituspoodides saadaolevaks konks-silmuskangaks.

Vähem torkiv näide on siid. Esimest korda kultiveeris iidne Hiina umbes 5,000 aastat tagasi, siidi kedratakse vingerdavatest, ümaratest siidiussidest ja kedratakse ürgsete kangastelgede abil kangasteks. Need õrnad siidid levisid kogu Ida-Aasias ja läänes, aidates rajada legendaarset Siiditeed.

Kuid nagu igaüks, kellel on siidist rõivas või linad, teab, on need uskumatult õrnad materjalid, mis kergesti rebenevad ja lagunevad.

Siidiussi siidiga seotud väljakutsed jagavad enamikku materjale.

Üks probleem on tugevus: kui palju venitamist materjal aja jooksul talub. Kujutage ette, et tõmbate pärast pesemist pisut kokkutõmbunud kampsunit. Mida väiksem on kiudude tugevus, seda väiksem on tõenäosus, et rõivas hoiab oma kuju. Teine probleem on sitkus. Lihtsamalt öeldes on see, kui palju energiat materjal suudab enne lagunemist neelata. Vana kampsun tõmbab lihtsalt pukseerimisega augud välja. Teisest küljest võib kuulikindel materjal Kevlar sõna otseses mõttes kuulid vastu võtta.

Kahjuks välistavad need kaks omadust tänapäeva konstrueeritud materjalides, ütles meeskond.

Loodusel on aga lahendus: ämbliksiid on ühtaegu tugev ja sitke. Probleemiks on lülijalgsete riidlemine, et toota siidi turvalises ja tõhusas keskkonnas. Need loomad on tigedad kiskjad. Sada vangistuses olevat siidiussi võivad rahus kaisutada; viska kokku sada ämblikku ja saad veresauna, millest jääb ellu vaid üks või kaks.

Ämblikuussi emakas

Mis oleks, kui saaksime kombineerida siidiusside ja ämblike parimaid?

Teadlastel on ammu tahtnud insener "kohtu-armas” kuupäev kahe liigi jaoks geenitehnoloogia abil. Ei, see ei ole liikidevaheline rom-com. Põhiidee on anda siidiussidele geneetiliselt võime toota ämbliksiidi.

Kuid ämbliku siidi valke kodeerivad geenid on suured. See muudab nad raskeks takerduda teiste olendite geneetilisse koodi, ilma et need looduslikud rakud üle koormaksid ja need ebaõnnestuksid.

Siin kasutas meeskond esmalt arvutusmeetodit siidi minimaalse struktuuri jahtimiseks. Saadud mudel kaardistas siidivalgu erinevused siidiusside ja ämblike vahel. Õnneks keerutavad mõlemad liigid kiudusid sarnastest valgustruktuuridest – nn polüamiidkiududest –, kuigi kumbki põhineb erinevatel valgukomponentidel.

Veel üks õnn on jagatud anatoomia. "Kodumaiste siidiusside ja ämblikuliste siidinäärmete siidinäärmete füüsiline ja keemiline keskkond on märkimisväärselt sarnane", ütles meeskond.

Mudelit kasutades tuvastasid nad kriitilise komponendi, mis suurendab siidi tugevust ja sitkust – suhteliselt väikese siidivalgu MiSp, mis leiti Araneus ventricosus ämblikud Ida-Aasiast.

Geeni redigeerimise tööriista CRISPR-Cas9 abil lisas meeskond seejärel siidiussidele MiSp kodeerivad geenid, muutes need sisuliselt ümber ämbliksiidi keerutamiseks. Selle saavutamine oli tehnoloogiline õudusunenägu, mis nõuab sajad tuhanded mikrosüste viljastatud siidiussi munadesse, et muuta nende siidikeerulisi näärmeid. Terve mõistuse kontrolliks lisas meeskond ka geeni, mis pani siidiusside silmad kummitavalt punaseks hõõguma, mis andis edu märku.

Uuringu autor Junpeng Mi "tantsis ja praktiliselt jooksis" peaautori dr Meng Qingi kabinetti. "Mäletan seda õhtut eredalt, sest põnevus hoidis mind ärkvel," ütles Mi.

Saadud ussi-ämbliku siidid on umbes kuus korda sitkemad kui kevlar, kuid siiski elastsed. Jones ütles, et see on üllatav, sest MiSp-i kasutavad kiud ei ole alati venivad. Boonusena pihustasid siidiussid loomulikult ka kaitsekatte, et tugevdada kiudusid. See muutis nad potentsiaalseks vastupidavam kui eelmine kunstlikult valmistatud ämbliksiid.

Meeskond uurib veelgi oma arvutusmudelit, et kujundada meditsiiniliste õmbluste jaoks bioloogiliselt ühilduvat siidi. Peale selle loodavad nad olla loomingulisemad. Sünteetilised bioloogid on pikka aega soovinud välja töötada kunstlikke aminohappeid (valke moodustavad molekulitükid). Mis juhtuks, kui lisaksime biolagunevatele kangastele sünteetilisi aminohappeid?

"Enam kui saja konstrueeritud aminohappe kasutuselevõtul on ämbliku siidist valmistatud kiudude jaoks piiritu potentsiaal," ütles Mi.

Pildi krediit: Junpeng Mi, bioloogiateaduste ja meditsiinitehnika kolledž, Donghua ülikool, Shanghai, Hiina