Siirtogeeniset silkkiäistoukkien Spider-silkki on 6x kovempaa kuin kevlar

Toissapäivänä sukelsin pää edellä hämähäkinverkkoon ollessani puoliunessa matkailuautossani.

Huudot syrjään, looginen osa minua ihmetteli, kuinka nopeasti yksi kammottava ryömintä oli kudonut niin monimutkaisen – ja yllättävän pomppivan ja kimmoisan – verkon vain muutamassa tunnissa.

Hämähäkkisilkki on luonnonihme. Se on kova ja kestää vaurioita, mutta on myös erittäin joustava. Kevyt, vahva ja biohajoava silkki sopii mihin tahansa kirurgisista ompeleista luodinkestävään liiviin.

Miksi emme tuottaisi lisää näitä silkkejä ihmisravinnoksi? Hämähäkit ovat kauheita biologisia valmistuskoneita. Pelottava seikka sivuun, ne ovat erittäin taistelutahoisia – laita muutama sata yhteen, niin sinulla on pian kourallinen voittajia ja hyvin vähän tuotetta.

Geenitekniikan ansiosta meillä voi nyt kuitenkin olla tapa ohittaa hämähäkit kokonaan hämähäkkisilkin valmistuksessa.

In tutkimus Julkaistiin viime viikolla, Kiinan Donghuan yliopiston tiimi käytti CRISPR:ää luodakseen geenimanipuloituja silkkiäistoukkia, jotka voivat tuottaa hämähäkkisilkkiä. Tuloksena olevat säikeet ovat sitkeämpiä kuin Kevlar - synteettinen komponentti, jota käytetään luodinkestävissä liiveissä. Synteettisiin materiaaleihin verrattuna tällainen hämähäkkisilkki on paljon biohajoavampi vaihtoehto, joka voidaan helposti skaalata tuotantoa varten.

Tohtori Justin Jones Utahin osavaltion yliopistosta, joka ei ollut mukana tutkimuksessa, nyökkäsi uudelle kudokselle hyväksyvästi. Tuloksena oleva materiaali on "todella suorituskykyistä kuitua", hän sanoi että tiede.

Samaan aikaan kirjoittajien mielestä heidän strategiansa ei rajoitu hämähäkkisilkkiin. Tutkimus paljasti useita biofysikaalisia periaatteita poikkeuksellisen lujuuden ja joustavuuden omaavien silkkimateriaalien rakentamiseen.

Jatkokokeilut voisivat mahdollisesti tuottaa seuraavan sukupolven tekstiilejä nykyisten ominaisuuksien yli.

matoista, niveljalkaisista ja historiasta

Luonto tarjoaa runsaasti inspiraatiota huippuluokan materiaaleihin.

Ota tarranauha, koukku- ja silmukkamateriaali, joka voi ripustaa kylpyhuonepyyhkeitäsi tai kiinnittää lapsesi kenkiä. Kaikkialla oleva materiaali oli ensimmäisen kerran sveitsiläinen insinööri George de Mestral 1940-luvulla kun yrittää harjata purseet pois housuistaan ​​vaelluksen jälkeen. Lisätarkastelu mikroskoopin alla osoitti, että purseissa oli teräviä koukkuja, jotka tarttuivat kankaaseen. De Mestral muutti vaellushaitan hook-and-loop-kankaaksi, joka on saatavilla kaikissa rautakaupoissa tänään.

Vähemmän piikikäs esimerkki on silkki. Ensin viljellyt muinainen Kiina noin 5,000 vuotta sitten, silkki on kehrätty kierteisistä, pyöreistä silkkiäistoukeista ja kehrätään kankaiksi primitiivisillä kangaspuilla. Nämä herkät silkit levisivät kaikkialle Itä-Aasiaan ja länteen auttaen perustamaan legendaarista Silkkitietä.

Mutta kuten jokainen silkkivaatteen tai lakanoiden omistanut tietää, nämä ovat uskomattoman herkkiä materiaaleja, jotka repeytyvät ja hajoavat helposti.

Haasteet, joita kohtaamme silkkiäistoukkien silkin kanssa, ovat yhteisiä useimmille materiaaleille.

Yksi ongelma on lujuus: kuinka paljon venytystä materiaali kestää ajan kuluessa. Kuvittele, että vedät hieman kutistunutta puseroa pesun jälkeen. Mitä vähemmän lujuutta kuidut ovat, sitä epätodennäköisemmin vaate säilyttää muotonsa. Toinen ongelma on sitkeys. Yksinkertaisesti sanottuna se kertoo kuinka paljon energiaa materiaali voi imeä ennen hajoamista. Vanha pusero tekee helposti reikiä pelkällä hinaajalla. Toisaalta Kevlar, luodinkestävä materiaali, voi kirjaimellisesti kestää luoteja.

Valitettavasti nämä kaksi ominaisuutta ovat toisensa poissulkevia nykypäivän suunnitelluissa materiaaleissa, tiimi sanoi.

Luonnolla on kuitenkin ratkaisu: hämähäkkisilkki on sekä vahvaa että sitkeää. Ongelmana on niveljalkaisten riiteleminen silkin tuottamiseksi turvallisessa ja tehokkaassa ympäristössä. Nämä eläimet ovat ilkeitä saalistajia. Sata silkkiäistoukkia vankeudessa voi halailla rauhassa; heitä sata hämähäkkiä yhteen ja saat verikylvyn, josta vain yksi tai kaksi on elossa.

Hämähäkkimadon kohtu

Mitä jos voisimme yhdistää silkkiäistoukkien ja hämähäkkien parhaat puolet?

Tutkijat ovat kauan halunnut insinööri "tavata-söpö” päivämäärä kahdelle lajille geenitekniikan avulla. Ei, se ei ole lajien välinen rom-com. Pääideana on antaa silkkiäistoukeille geneettisesti kyky tuottaa hämähäkkisilkkiä.

Mutta hämähäkin silkkiproteiineja koodaavat geenit ovat suuria. Tämä tekee niistä vaikeita juuttua muiden olentojen geneettiseen koodiin ilman, että ne kuormittavat luonnollisia soluja ja aiheuttavat niiden epäonnistumisen.

Täällä ryhmä käytti ensin laskennallista menetelmää silkin minimaalisen rakenteen metsästämiseen. Tuloksena saatu malli kartoitti silkkiproteiinierot silkkiäistoukkien ja hämähäkkien välillä. Onneksi molemmat lajit pyörittävät kuituja samanlaisista proteiinirakenteista, joita kutsutaan polyamidikuiduiksi, vaikka kumpikin perustuu erilaisiin proteiinikomponentteihin.

Toinen onnenpala on jaettu anatomia. "Kotimaisten silkkiäistoukkien ja hämähäkin silkkirauhasten silkkirauhaset osoittavat huomattavan samankaltaisia" fyysisiä ja kemiallisia ympäristöjä, tiimi sanoi.

Mallia käyttämällä he tunnistivat kriittisen komponentin, joka lisää silkin lujuutta ja sitkeyttä – suhteellisen pienen silkkiproteiinin, MiSp:n, joka löytyy Araneus ventricosus hämähäkkejä Itä-Aasiasta.

CRISPR-Cas9:llä, geeninmuokkaustyökalulla, tiimi lisäsi sitten MiSp:tä koodaavia geenejä silkkiäistoukeihin – olennaisesti rejiggereillä ne pyörittämään hämähäkkisilkkiä. Tämän toteuttaminen oli teknologinen painajainen, vaativa satoja tuhansia mikroinjektioista hedelmöittyneisiin silkkiäistoukkien muniin niiden silkkiä pyörivien rauhasten muokkaamiseksi. Järkevyyden tarkistuksena tiimi lisäsi myös geenin, joka sai silkkiäistoukkien silmät hehkumaan ahdistavan punaisiksi, mikä merkitsi menestystä.

Tutkimuksen tekijä Junpeng Mi "tanssii ja juoksi käytännössä" pääkirjailijan, tohtori Meng Qingin toimistoon. "Muistan sen yön elävästi, sillä jännitys piti minut hereillä", sanoi Mi.

Tuloksena olevat mato-hämähäkkisilkit ovat noin kuusi kertaa sitkeämpiä kuin kevlar, mutta silti joustavia. Se on yllättävää, sanoi Jones, koska MiSp:tä käyttävät kuidut eivät aina ole joustavia. Bonuksena silkkitoukat myös ruiskuttivat luonnollisesti eräänlaista suojaavaa pinnoitetta vahvistamaan kuituja. Tämä teki heistä potentiaalisia kestävämpi kuin edellinen keinotekoisesti valmistettu hämähäkkisilkki.

Ryhmä tutkii edelleen laskennallista malliaan suunnitellakseen biologisesti yhteensopivaa silkkiä lääketieteellisiin ompeleisiin. Sen lisäksi he toivovat saavansa luovempia. Synteettiset biologit ovat pitkään halunneet kehittää keinotekoisia aminohappoja (proteiinien muodostavia molekyylikappaleita). Mitä tapahtuisi, jos lisäisimme synteettisiä aminohappoja biohajoaviin kankaisiin?

"Yli sadan muokatun aminohapon käyttöönotto tarjoaa rajattomat mahdollisuudet muokatuille hämähäkkisilkkikuiduille", sanoi Mi.

Kuvan luotto: Junpeng Mi, Biologian ja lääketieteen tekniikan korkeakoulu, Donghuan yliopisto, Shanghai, Kiina

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://singularityhub.com/2023/09/26/transgenic-silkworms-spin-spider-silk-6x-tougher-than-kevlar/