کرم ابریشم تراریخته ابریشم عنکبوتی را 6 برابر سخت تر از کولار می چرخاند

بازنشر افلاطون

دنبال: 0

Transgenic Silkworms Spin Spider Silk 6x Tougher Than Kevlar PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertical Search. Ai.

روز دیگر در حالی که در داخل ون کمپرم نیمه خواب بودم با سر به تار عنکبوت فرو رفتم.

به کنار فریادها، بخش منطقی من از این که یک خزنده خزنده تنها در عرض چند ساعت با چه سرعتی چنین وب پیچیده - و به طرز شگفت‌انگیزی پرانرژی و انعطاف‌پذیری را بافته است شگفت‌زده شد.

ابریشم عنکبوت یک شگفتی طبیعی است. سخت است و در برابر آسیب مقاومت می کند اما بسیار انعطاف پذیر است. ابریشم سبک، قوی و زیست تخریب پذیر می تواند برای هر چیزی از بخیه های جراحی گرفته تا جلیقه های ضد گلوله استفاده شود.

چرا ما بیشتر از این ابریشم ها را برای مصرف انسان تولید نکنیم؟ عنکبوت ها ماشین های تولید بیولوژیکی وحشتناکی هستند. عوامل ترسناک را کنار بگذاریم، آنها بسیار جنگنده هستند - چند صد مورد را کنار هم بگذارید، و به زودی با تعداد انگشت شماری پیروز و محصول بسیار کمی خواهید ماند.

با این حال، به لطف مهندسی ژنتیک، اکنون ممکن است راهی برای کنار گذاشتن عنکبوت ها در تولید ابریشم عنکبوت داشته باشیم.

In یک مطالعه هفته گذشته، تیمی از دانشگاه دونگ‌هوا در چین از CRISPR برای ایجاد کرم‌های ابریشم دستکاری شده ژنتیکی استفاده کردند که می‌توانند ابریشم عنکبوت تولید کنند. رشته‌های حاصل از کولار سخت‌تر هستند - یک جزء مصنوعی که در جلیقه‌های ضد گلوله استفاده می‌شود. در مقایسه با مواد مصنوعی، چنین ابریشم عنکبوت جایگزین بسیار زیست تخریب پذیرتری است که ممکن است به راحتی برای تولید مقیاس بندی شود.

دکتر جاستین جونز از دانشگاه ایالتی یوتا، که در این مطالعه شرکت نداشت، با اشاره به تائید بافت جدید اشاره کرد. ماده به دست آمده «یک فیبر واقعاً با کارایی بالا» است گفت: به علم.

در همین حال، برای نویسندگان، استراتژی آنها به ابریشم عنکبوت محدود نمی شود. این مطالعه چندین اصل بیوفیزیکی را برای ساخت مواد ابریشم با استحکام و انعطاف پذیری استثنایی کشف کرد.

آزمایش‌های بیشتر می‌تواند به‌طور بالقوه منسوجات نسل بعدی را فراتر از توانایی‌های فعلی تولید کند.

از کرم ها، بندپایان، و تاریخ

طبیعت الهامات زیادی را برای مواد پیشرفته ارائه می دهد.

نوار چسب را بردارید، مواد قلاب و حلقه ای که ممکن است حوله های حمام شما را آویزان کند یا کفش های کودک شما را محکم کند. مواد همه جا حاضر بود اولین بار توسط مهندس سوئیسی جورج د مسترال در دهه 1940 تصور شد وقتی سعی می‌کند بعد از پیاده‌روی شلوارش را پاره کند. نگاهی بیشتر زیر میکروسکوپ نشان داد که سوراخ‌ها دارای قلاب‌های تیز هستند که حلقه‌هایی را در پارچه می‌چسباند. De Mestral مزاحم پیاده روی را به پارچه قلاب و حلقه ای تبدیل کرد که امروزه در همه فروشگاه های سخت افزار موجود است.

یک نمونه کمتر خاردار ابریشم است. اولین بار توسط چین باستان کشت شد تقریبا 5,000 سال پیشابریشم از کرم‌های ابریشم چرخ‌دار و متلاطم ریسیده می‌شود و با استفاده از دستگاه‌های بافندگی ابتدایی به پارچه تبدیل می‌شود. این ابریشم‌های ظریف در سراسر آسیای شرقی و غرب گسترش یافتند و به ایجاد جاده ابریشم افسانه‌ای کمک کردند.

با این حال، همانطور که هر کسی که یک لباس یا ملحفه ابریشمی دارد می‌داند، اینها مواد فوق‌العاده ظریفی هستند که به راحتی پاره می‌شوند و می‌شکنند.

چالش‌هایی که ما با ابریشم کرم ابریشم با آن روبرو هستیم با اکثر مواد مشترک است.

یک مشکل استحکام است: میزان کشش یک ماده در طول زمان چقدر می تواند تحمل کند. تصور کنید که بعد از شستن یک پلیور کمی چروک شده را کنار بزنید. هر چه الیاف استحکام کمتری داشته باشند، احتمال اینکه لباس شکل خود را حفظ کند کمتر خواهد بود. مشکل دیگر سختی است. به بیان ساده، میزان انرژی است که یک ماده می تواند قبل از تجزیه شدن جذب کند. یک ژاکت قدیمی تنها با کشیدن به راحتی سوراخ می شود. از سوی دیگر، کولار، یک ماده ضد گلوله، به معنای واقعی کلمه می تواند گلوله را بگیرد.

به گفته تیم تحقیقاتی، متأسفانه، این دو ویژگی در مواد مهندسی شده امروزی متقابل هستند.

طبیعت اما راه حلی دارد: ابریشم عنکبوت هم قوی و هم سخت است. مشکل، کشمکش بندپایان برای تولید ابریشم در یک محیط امن و موثر است. این حیوانات شکارچیان شریر هستند. صد کرم ابریشم در اسارت می توانند در آرامش بغل شوند. صد عنکبوت را کنار هم بیاندازید و حمام خونی می گیرید که تنها یکی دو تا از آنها زنده می مانند.

یک رحم کرم عنکبوتی

چه می شد اگر بتوانیم بهترین کرم ابریشم و عنکبوت را با هم ترکیب کنیم؟

دانشمندان دارند خیلی وقته میخواستم مهندس "ملاقات - نازتاریخ برای این دو گونه با کمک مهندسی ژنتیک. نه، این رام کام متقابل گونه نیست. ایده اصلی اعطای ژنتیکی به کرم ابریشم با توانایی تولید ابریشم عنکبوت است.

اما ژن های کد کننده پروتئین های ابریشم عنکبوت بزرگ هستند. این امر باعث می‌شود که آنها به سختی وارد کد ژنتیکی موجودات دیگر شوند، بدون اینکه سلول‌های طبیعی را تحت تأثیر قرار دهند و باعث از کار افتادن آنها شوند.

در اینجا، تیم ابتدا از یک روش محاسباتی برای شکار ساختار حداقل ابریشم استفاده کرد. مدل حاصل تفاوت‌های پروتئین ابریشم را بین کرم‌های ابریشم و عنکبوت ترسیم کرد. خوشبختانه، هر دو گونه الیافی را از ساختارهای پروتئینی مشابه - به نام الیاف پلی آمید - می چرخانند، اگرچه هر کدام بر اساس اجزای پروتئینی متفاوتی هستند.

یکی دیگر از شانس های آناتومی مشترک است. این تیم گفت: "غدد ابریشم کرم‌های ابریشم خانگی و غدد ابریشم عنکبوت دارای محیط‌های فیزیکی و شیمیایی بسیار مشابهی هستند."

با استفاده از این مدل، آنها یک جزء حیاتی را شناسایی کردند که استحکام و چقرمگی ابریشم را افزایش می‌دهد - یک پروتئین نسبتا کوچک ابریشم، MiSp، که در Araneus ventricosus عنکبوت های آسیای شرقی

با CRISPR-Cas9، یک ابزار ویرایش ژن، تیم سپس ژن‌های کدگذاری MiSp را به کرم‌های ابریشم اضافه کرد و اساساً آنها را دوباره به چرخش درآورد تا ابریشم عنکبوت را بچرخاند. دستیابی به این یک کابوس تکنولوژیکی بود که نیاز داشت صدها هزار نفر ریز تزریق به تخم کرم ابریشم بارور شده برای ویرایش غدد ابریشم ریسی آنها. به عنوان یک بررسی سلامت عقل، تیم همچنین ژنی را اضافه کردند که باعث می‌شود چشم‌های کرم ابریشم به‌طور وحشتناکی قرمز بدرخشد که نشان‌دهنده موفقیت بود.

نویسنده مطالعه جونپنگ می «رقصید و عملاً به سمت دفتر نویسنده اصلی، دکتر منگ چینگ، دوید. می گفت: «آن شب را به خوبی به یاد دارم، زیرا هیجان مرا بیدار نگه داشت.

ابریشم های کرم-عنکبوت به دست آمده تقریباً شش برابر سخت تر از کولار هستند اما همچنان انعطاف پذیر هستند. جونز گفت: این تعجب آور است، زیرا فیبرهایی که از MiSp استفاده می کنند همیشه کشدار نیستند. به عنوان یک امتیاز، کرم های ابریشم به طور طبیعی نوعی پوشش محافظ برای تقویت الیاف اسپری کردند. این آنها را بالقوه ساخت با دوام تر نسبت به ابریشم عنکبوت مصنوعی قبلی.

این تیم در حال بررسی مدل محاسباتی خود برای طراحی ابریشم سازگار بیولوژیکی برای بخیه های پزشکی هستند. فراتر از آن امیدوارند خلاقیت بیشتری داشته باشند. زیست شناسان مصنوعی مدت هاست که می خواستند آمینو اسیدهای مصنوعی (قطعات مولکولی تشکیل دهنده پروتئین ها) بسازند. اگر اسیدهای آمینه مصنوعی را به پارچه های زیست تخریب پذیر اضافه کنیم چه اتفاقی می افتد؟

Mi گفت: "معرفی بیش از صد آمینو اسید مهندسی شده پتانسیل بی حد و حصری را برای الیاف مهندسی شده ابریشم عنکبوت دارد."

اعتبار تصویر: Junpeng Mi، کالج علوم زیستی و مهندسی پزشکی، دانشگاه Donghua، شانگهای، چین