Viermii de mătase transgenic învârt mătasea de păianjen de 6 ori mai rezistentă decât kevlarul

Zilele trecute m-am cufundat cu capul înainte într-o pânză de păianjen în timp ce dormeam pe jumătate în interiorul furgonetei mele.

În afară de țipete, partea logică a mea s-a mirat de cât de repede țesese o pânză atât de complicată – și surprinzător de elastică și rezistentă – în doar câteva ore.

Mătasea de păianjen este o minune naturală. Este dur și rezistă la deteriorare, dar este și foarte flexibil. Ușoară, puternică și biodegradabilă, mătasea poate fi folosită pentru orice, de la suturi chirurgicale la veste antiglonț.

De ce nu am produce mai multe din aceste mătase pentru consumul uman? Păianjenii sunt mașini teribile de producție biologică. Lăsând la o parte factorul înfiorător, sunt foarte combativi – puneți câteva sute împreună și în curând veți rămâne cu câțiva învingători și foarte puțin produs.

Cu toate acestea, datorită ingineriei genetice, s-ar putea să avem acum o modalitate de a sări peste păianjeni cu totul în fabricarea mătăsii de păianjen.

In un studiu publicat săptămâna trecută, o echipă de la Universitatea Donghua din China a folosit CRISPR pentru a crea viermi de mătase modificați genetic care pot produce mătase de păianjen. Șuvițele rezultate sunt mai dure decât Kevlarul - o componentă sintetică folosită în vestele antiglonț. În comparație cu materialele sintetice, o astfel de mătase de păianjen este o alternativă mult mai biodegradabilă, care poate fi ușor scalată pentru producție.

Dr. Justin Jones de la Universitatea de Stat din Utah, care nu a fost implicat în studiu, a dat din cap noua țesătură un semn de aprobare. Materialul rezultat este „o fibră cu adevărat de înaltă performanță”, el a spus la Ştiinţă.

Între timp, pentru autori, strategia lor nu se limitează la mătase de păianjen. Studiul a descoperit câteva principii biofizice pentru construcția materialelor de mătase cu rezistență și flexibilitate excepționale.

Experimentările ulterioare ar putea produce textile de următoarea generație, dincolo de capacitățile actuale.

Despre viermi, artropode și istorie

Natura oferă o mulțime de inspirație pentru materialele de ultimă generație.

Luați Velcro, materialul cu cârlig și buclă care vă poate agăța prosoapele de baie sau vă poate asigura pantofii copilului. Materialul omniprezent a fost conceput pentru prima dată de inginerul elvețian George de Mestral în anii 1940 când încerca să-și perie bavurile de pe pantaloni după o drumeție. O altă privire la microscop a arătat că bavurile aveau cârlige ascuțite care prindeau bucle în material. De Mestral a transformat neplăcerea din drumeții în materialul cu cârlig și buclă disponibil în toate magazinele de hardware astăzi.

Un exemplu mai puțin înțepător este mătasea. Prima dată cultivată de China antică în urmă cu aproximativ 5,000 ani, mătasea este filată din viermi de mătase ondulați și rotunzi și filată în țesături folosind războaie primitive. Aceste mătăsuri delicate s-au răspândit în toată Asia de Est și în vest, ajutând la stabilirea legendarului Drum al Mătăsii.

Totuși, așa cum știe oricine care deține o îmbrăcăminte sau cearșafuri de mătase, acestea sunt materiale incredibil de delicate care se rup și se descompun cu ușurință.

Provocările cu care ne confruntăm cu mătasea de vierme de mătase sunt împărtășite de majoritatea materialelor.

O problemă este rezistența: cât de multă întindere poate suporta un material în timp. Imaginați-vă că smulgeți un pulover ușor micșorat după spălare. Cu cât fibrele au mai puțină rezistență, cu atât este mai puțin probabil ca îmbrăcămintea să își păstreze forma. Cealaltă problemă este duritatea. Mai simplu spus, este cât de multă energie poate absorbi un material înainte de a se descompune. Un pulover vechi va scoate cu ușurință găuri doar cu o remorcher. Pe de altă parte, Kevlar, un material antiglonț, poate lua literalmente gloanțe.

Din păcate, cele două proprietăți se exclud reciproc în materialele proiectate de astăzi, a spus echipa.

Natura, însă, are o soluție: mătasea de păianjen este atât puternică, cât și dură. Problema este să se ceartă artropodele pentru a produce mătase într-un mediu sigur și eficient. Aceste animale sunt prădători răutăcioși. O sută de viermi de mătase în captivitate se pot îmbrățișa în pace; aruncați o sută de păianjeni împreună și veți obține o baie de sânge din care doar unul sau doi rămân în viață.

Un pântec de vierme de păianjen

Dacă am putea combina cele mai bune viermi de mătase și păianjeni?

Oamenii de știință au mult dorit inginer un „întâlni-drăguț” data pentru cele două specii cu ajutorul ingineriei genetice. Nu, nu este o comiție romană între specii. Ideea principală este de a dota genetic viermii de mătase cu capacitatea de a produce mătase de păianjen.

Dar genele care codifică proteinele din mătase de păianjen sunt mari. Acest lucru le face greu să se blocheze în codul genetic al altor creaturi fără a copleși celulele naturale și a le face să eșueze.

Aici, echipa a folosit pentru prima dată o metodă de calcul pentru a urmări structura minimă a mătăsii. Modelul rezultat a cartografiat diferențele de proteine ​​​​de mătase dintre viermi de mătase și păianjeni. Din fericire, ambele specii rotesc fibrele din structuri proteice similare - numite fibre de poliamidă - deși fiecare se bazează pe componente diferite de proteine.

Un alt noroc este anatomia comună. „Glandele de mătase ale viermilor de mătase domestici și ale glandelor de mătase de păianjen prezintă medii fizice și chimice remarcabil de similare”, a spus echipa.

Folosind modelul, ei au identificat o componentă critică care crește rezistența și duritatea mătăsii - o proteină de mătase relativ mică, MiSp, găsită în Araneus ventricosus păianjeni din Asia de Est.

Cu CRISPR-Cas9, un instrument de editare a genelor, echipa a adăugat apoi gene care codifică MiSp în viermi de mătase – în esență reajustându-le pentru a fila mătase de păianjen. Realizarea acestui lucru a fost un coșmar tehnologic, care necesită sute de mii de microinjecții în ouă fecundate de viermi de mătase pentru a-și edita glandele de filare a mătasei. Ca o verificare a stării de spirit, echipa a adăugat și o genă care a făcut ca ochii viermilor de mătase să strălucească de un roșu obsedant, ceea ce a semnalat succesul.

Autorul studiului Junpeng Mi „a dansat și practic a alergat la” autorul principal, biroul doctorului Meng Qing. „Îmi amintesc foarte bine acea noapte, când entuziasmul m-a ținut treaz”, a spus Mi.

Mătăsurile de vierme-păianjen rezultate sunt de aproximativ șase ori mai dure decât Kevlar, dar totuși flexibile. Este surprinzător, a spus Jones, deoarece fibrele care folosesc MiSp nu sunt întotdeauna elastice. Ca bonus, viermii de mătase au pulverizat în mod natural și un fel de înveliș protector pentru a întări fibrele. Acest lucru i-a făcut potențial mai durabil decât mătasea de păianjen făcută artificial anterior.

Echipa explorează în continuare modelul lor de calcul pentru a proiecta mătase compatibilă biologic pentru suturile medicale. Dincolo de asta, ei speră să devină mai creativi. Biologii sintetici au dorit de mult să dezvolte aminoacizi artificiali (piesele moleculare care alcătuiesc proteinele). Ce s-ar întâmpla dacă am adăuga aminoacizi sintetici la țesăturile biodegradabile?

„Introducerea a peste o sută de aminoacizi deține un potențial nelimitat pentru fibrele de mătase de păianjen”, a spus Mi.

Credit imagine: Junpeng Mi, Colegiul de Științe Biologice și Inginerie Medicală, Universitatea Donghua, Shanghai, China

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• PlatoHealth. Biotehnologie și Inteligență pentru studii clinice. Accesați Aici.
• Sursa: https://singularityhub.com/2023/09/26/transgenic-silkworms-spin-spider-silk-6x-tougher-than-kevlar/