형질전환 누에는 케블라보다 6배 더 강한 거미줄을 뽑습니다

형질전환 누에는 케블라보다 6배 더 강한 거미줄을 뽑습니다

타임 스탬프 : 26 년 2023 월 1 일 오후 00:XNUMX
형질전환 누에는 Kevlar PlatoBlockchain 데이터 인텔리전스보다 거미줄을 6배 더 강하게 회전시킵니다. 수직 검색. 일체 포함.

일전에 나는 캠핑카 안에서 반쯤 자고 있던 중에 거미줄 속으로 머리부터 뛰어들었습니다.

비명을 지르는 것은 제쳐두고, 소름 끼치는 크롤링 한 마리가 단 몇 시간 만에 그렇게 복잡하고 놀랍도록 탄력 있고 탄력 있는 거미줄을 얼마나 빨리 엮었는지에 대해 논리적인 부분이 놀랐습니다.

거미줄은 자연의 경이로움입니다. 견고하고 손상에 강하지만 유연성도 뛰어납니다. 가볍고 강하며 생분해성이 있는 실크는 수술용 봉합사부터 방탄 조끼까지 모든 용도로 사용할 수 있습니다.

왜 우리는 인간이 소비할 수 있는 비단을 더 많이 생산하지 않을까요? 거미는 끔찍한 생물학적 제조 기계입니다. 소름 끼치는 요소는 제쳐두고, 그들은 매우 전투적입니다. 수백 명을 합치면 곧 소수의 승자와 아주 적은 제품만 남게 될 것입니다.

그러나 유전공학 덕분에 우리는 이제 거미줄 제조에서 거미를 완전히 건너뛸 수 있는 방법을 갖게 되었습니다.

In 연구 지난주에 발표된 중국 동화대학교 팀은 CRISPR를 사용하여 거미줄을 생산할 수 있는 유전자 조작 누에를 만들었습니다. 그 결과 만들어진 가닥은 방탄 조끼에 사용되는 합성 구성 요소인 케블라(Kevlar)보다 더 강합니다. 합성 물질에 비해 이러한 거미줄은 생산을 위해 쉽게 규모를 조정할 수 있는 훨씬 더 생분해성이 높은 대안입니다.

연구에 참여하지 않은 유타 주립 대학의 저스틴 존스(Justin Jones) 박사는 새로운 직조에 대해 고개를 끄덕였습니다. 그 결과 얻은 재료는 "정말 고성능 섬유"입니다. 말했다 에 과학.

한편, 저자에게 있어 그들의 전략은 거미줄에만 국한되지 않습니다. 이번 연구는 탁월한 강도와 유연성을 갖춘 실크 소재를 만드는 데 필요한 몇 가지 생물물리학적 원리를 밝혀냈습니다.

추가 실험을 통해 잠재적으로 현재 능력을 뛰어넘는 차세대 직물을 생산할 수 있습니다.

벌레, 절지동물, 그리고 역사

자연은 최첨단 소재에 대한 풍부한 영감을 제공합니다.

욕실 수건을 걸거나 아이의 신발을 고정할 수 있는 후크 앤 루프 소재인 벨크로를 사용해보세요. 유비쿼터스 소재였다. 1940년대 스위스 엔지니어인 George de Mestral이 처음으로 고안했습니다. 하이킹 후 바지에 묻은 가시를 털어내려고 할 때. 현미경으로 자세히 살펴보면 버에는 천의 고리를 걸치는 날카로운 고리가 있는 것으로 나타났습니다. De Mestral은 하이킹의 번거로움을 오늘날 모든 철물점에서 구입할 수 있는 후크 앤 루프 패브릭으로 바꾸었습니다.

덜 가시적인 예는 실크입니다. 고대 중국에서 처음으로 재배됨 대략 5,000년 전, 실크는 꿈틀거리고 둥근 누에로부터 방적되고 원시 직기를 사용하여 직물로 방적됩니다. 이 섬세한 실크는 동아시아 전역과 서쪽으로 퍼져 전설적인 실크로드를 확립하는 데 도움을 주었습니다.

그러나 실크 의류나 시트를 소유한 사람이라면 누구나 알겠지만, 이는 쉽게 찢어지고 분해될 수 있는 믿을 수 없을 정도로 섬세한 소재입니다.

누에 실크와 관련하여 우리가 직면한 문제는 대부분의 재료에서 공유됩니다.

한 가지 문제는 강도입니다. 시간이 지남에 따라 재료가 얼마나 늘어나는지를 견딜 수 있습니다. 세탁 후 약간 줄어든 스웨터를 잡아당기는 것을 상상해 보십시오. 섬유의 강도가 낮을수록 의류의 형태가 유지될 가능성이 낮아집니다. 또 다른 문제는 인성이다. 간단히 말해서, 물질이 분해되기 전에 흡수할 수 있는 에너지의 양입니다. 오래된 스웨터는 잡아당기기만 하면 쉽게 구멍이 납니다. 반면 방탄소재인 케블라는 말 그대로 총알을 막아낼 수 있다.

불행하게도 오늘날의 엔지니어링 재료에서는 두 가지 특성이 상호 배타적이라고 팀은 말했습니다.

그러나 자연에는 해결책이 있습니다. 거미줄은 강하면서도 질깁니다. 문제는 안전하고 효과적인 환경에서 실크를 생산하기 위해 절지동물과 논쟁을 벌이는 것입니다. 이 동물들은 사악한 포식자입니다. 갇힌 누에 백 마리도 평화롭게 껴안을 수 있습니다. 거미 백 마리를 함께 던져버리면 피바다가 되고 그 중 한두 마리만 살아남게 됩니다.

거미벌레 자궁

누에와 거미의 장점을 결합할 수 있다면 어떨까요?

과학자들은 오랫동안 원했다 엔지니어 "귀여운” 유전 공학의 도움으로 두 종의 날짜를 알아냈습니다. 아니요, 이종 로코는 아닙니다. 주요 아이디어는 누에에게 거미줄을 생산할 수 있는 능력을 유전적으로 부여하는 것입니다.

그러나 거미줄 단백질을 암호화하는 유전자는 크다. 이로 인해 자연 세포를 압도하여 실패하게 만들지 않으면서 다른 생물의 유전 암호에 끼어들기가 어려워집니다.

여기서 팀은 처음으로 실크의 최소 구조를 찾아내기 위해 계산 방법을 사용했습니다. 결과 모델은 누에와 거미 사이의 실크 단백질 차이를 매핑했습니다. 운 좋게도 두 종 모두 폴리아미드 섬유라고 하는 유사한 단백질 구조에서 섬유를 뽑아냅니다. 그러나 각각은 서로 다른 단백질 구성 요소를 기반으로 합니다.

또 다른 행운은 공유된 해부학입니다. 연구팀은 “국내 누에의 실크샘과 거미 실크샘은 놀라울 정도로 유사한” 물리적, 화학적 환경을 보인다고 밝혔다.

이 모델을 사용하여 그들은 실크의 강도와 인성을 높이는 중요한 구성 요소인 상대적으로 작은 실크 단백질인 MiSp를 확인했습니다. 아라네우스 벤트리코수스 동아시아의 거미.

그런 다음 유전자 편집 도구인 CRISPR-Cas9를 사용하여 팀은 MiSp를 코딩하는 유전자를 누에에 추가했습니다. 본질적으로 거미줄을 뽑기 위해 다시 조정했습니다. 이를 달성하는 것은 기술적인 악몽이었고, 수십만 실크 방적선을 편집하기 위해 수정된 누에알에 미세주사를 하는 것입니다. 온전한 상태를 확인하기 위해 팀은 누에의 눈을 잊을 수 없을 만큼 붉게 빛나게 만드는 유전자를 추가했는데, 이는 성공을 의미했습니다.

연구 저자 Junpeng Mi는 수석 저자인 Dr. Meng Qing의 사무실로 “춤을 추며 실제로 달려갔습니다”. Mi는 “그날 밤을 생생하게 기억합니다. 흥분 때문에 잠을 이루지 못했기 때문입니다”라고 말했습니다.

그 결과 생성된 벌레 거미줄은 케블라보다 약 XNUMX배 더 강하면서도 여전히 유연합니다. MiSp를 사용하는 섬유가 항상 신축성이 있는 것은 아니기 때문에 이는 놀라운 일이라고 Jones는 말했습니다. 게다가 누에들은 섬유질을 강화하기 위해 일종의 보호 코팅을 자연적으로 뿌렸습니다. 이로 인해 잠재적으로 더 내구성 기존에 인공적으로 만든 거미줄보다

연구팀은 의료용 봉합사를 위해 생물학적으로 호환되는 실크를 디자인하기 위해 계산 모델을 추가로 탐색하고 있습니다. 그 외에도 그들은 더 창의적이기를 희망합니다. 합성 생물학자들은 오랫동안 인공 아미노산(단백질을 구성하는 분자 조각)을 개발하기를 원해 왔습니다. 생분해성 직물에 합성 아미노산을 첨가하면 어떻게 될까요?

"XNUMX개 이상의 가공 아미노산의 도입은 가공 거미줄 섬유에 무한한 잠재력을 가지고 있습니다"라고 Mi는 말했습니다.

이미지 제공: Junpeng Mi, 중국 상하이 동화 대학교 생물 과학 및 의료 공학 대학

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