Трансгенные тутовые шелкопряды плетут паучий шелк в 6 раз прочнее, чем кевлар

Переиздано Платоном

Читают: 0

Трансгенные тутовые шелкопряды прядут паутину в 6 раз прочнее, чем кевлар. Платоблокчейн. Анализ данных. Вертикальный поиск. Ай.

На днях я нырнул головой в паутину, находясь в полусне в своем автофургоне.

Если отбросить крики, то логическая часть меня поразилась тому, как быстро одинокий жуткий ползун сплел такую сложную — и на удивление упругую и упругую — паутину всего за несколько часов.

Паучий шелк – чудо природы. Он прочный и устойчив к повреждениям, но при этом очень гибкий. Легкий, прочный и биоразлагаемый шелк можно использовать для изготовления чего угодно: от хирургических швов до бронежилетов.

Почему бы нам не производить больше этого шелка для потребления человеком? Пауки — ужасные биологические производственные машины. Помимо этого жуткого фактора, они очень воинственны — соберите несколько сотен, и вскоре у вас останется горстка победителей и очень мало продукта.

Однако благодаря генной инженерии у нас теперь может быть способ вообще отказаться от пауков при производстве паучьего шелка.

In исследовании опубликованная на прошлой неделе, команда из Университета Дунхуа в Китае использовала CRISPR для создания генетически модифицированных тутовых шелкопрядов, которые могут производить паутину. Полученные нити прочнее, чем кевлар — синтетический компонент, используемый в бронежилетах. По сравнению с синтетическими материалами, такой паучий шелк является гораздо более биоразлагаемой альтернативой, которую можно легко масштабировать для производства.

Доктор Джастин Джонс из Университета штата Юта, не принимавший участия в исследовании, одобрил новое плетение. Полученный материал представляет собой «действительно высокоэффективное волокно», — сказал он. — сказал в Наука.

Между тем, по мнению авторов, их стратегия не ограничивается паучьим шелком. Исследование выявило несколько биофизических принципов создания шелковых материалов, обладающих исключительной прочностью и гибкостью.

Дальнейшие эксперименты потенциально могут привести к созданию текстиля следующего поколения, превосходящего нынешние возможности.

О червях, членистоногих и истории

Природа предлагает множество вдохновений для создания передовых материалов.

Возьмите липучку — материал с крючками и петлями, которым можно повесить банные полотенца или закрепить детскую обувь. Вездесущий материал был впервые задуман швейцарским инженером Джорджем де Местралем в 1940-х годах. когда пытался смахнуть колючки со своих штанов после похода. Дальнейший осмотр под микроскопом показал, что заусенцы имели острые крючки, которые цеплялись за петли в ткани. Де Местраль превратил неудобства походов в ткань на липучке, которую сегодня можно купить во всех хозяйственных магазинах.

Менее колючий пример — шелк. Впервые выращен в древнем Китае. примерно 5,000 лет назадШелк прядут из извилистых, округлых тутовых червей и прядут ткани на примитивных ткацких станках. Эти нежные шелка распространились по всей Восточной Азии и на запад, помогая основать легендарный Шелковый путь.

Однако любой, у кого была шелковая одежда или простыни, знает, что это невероятно деликатные материалы, которые легко рвутся и ломаются.

Проблемы, с которыми мы сталкиваемся при использовании шелка тутового шелкопряда, свойственны большинству материалов.

Одной из проблем является прочность: насколько материал может выдержать растяжение с течением времени. Представьте, что вы выдергиваете слегка севший свитер после стирки. Чем меньше прочность волокон, тем меньше вероятность, что одежда сохранит свою форму. Другая проблема — жесткость. Проще говоря, это то, сколько энергии материал может поглотить, прежде чем разрушиться. Старый свитер легко прорвется, если его потянуть. С другой стороны, кевлар, пуленепробиваемый материал, буквально выдерживает пули.

К сожалению, эти два свойства в современных инженерных материалах являются взаимоисключающими, говорят исследователи.

Однако у природы есть решение: паучья паутина одновременно прочна и жестка. Проблема заключается в том, чтобы заставить членистоногих производить шелк в безопасной и эффективной среде. Эти животные – жестокие хищники. Сотня тутовых шелкопрядов в неволе может спокойно обниматься; бросьте вместе сотню пауков, и вы получите кровавую бойню, в которой в живых останется только один или два.

Чрево червя-паука

Что, если бы мы могли объединить лучшее от тутового шелкопряда и пауков?

Ученые имеют давно хотел инженер»милая встречадатировать два вида с помощью генной инженерии. Нет, это не межвидовая ромкома. Основная идея заключается в том, чтобы генетически наделить тутового шелкопряда способностью производить паучий шелк.

Но гены, кодирующие белки паучьего шелка, большие. Из-за этого им сложно внедриться в генетический код других существ, не подавляя естественные клетки и не вызывая их отказа.

Здесь команда впервые использовала вычислительный метод, чтобы определить минимальную структуру шелка. Полученная модель выявила различия в белке шелка у тутовых червей и пауков. К счастью, оба вида прядут волокна из схожих белковых структур, называемых полиамидными волокнами, хотя каждый из них основан на разных белковых компонентах.

Еще одна удача — общая анатомия. «Шелковые железы домашних тутовых червей и паучьи железы демонстрируют удивительно схожую физическую и химическую среду», — заявила команда.

Используя модель, они определили критический компонент, который повышает прочность и жесткость шелка — относительно небольшой белок шелка MiSp, обнаруженный в Аранеус желудочковый пауки из Восточной Азии.

С помощью CRISPR-Cas9, инструмента редактирования генов, команда затем добавила гены, кодирующие MiSp, в шелковичных червей, по сути перенастроив их на прядение паучьей паутины. Достижение этой цели было технологическим кошмаром, требующим Собака сотни тысяч микроинъекций в оплодотворенные яйца тутового шелкопряда для изменения их шелкопрядильных желез. В качестве проверки здравомыслия команда также добавила ген, который заставлял глаза шелкопряда светиться навязчиво красным, что сигнализировало об успехе.

Автор исследования Цзюньпэн Ми «танцевал и практически побежал» к ведущему автору, кабинету доктора Мэн Цин. «Я хорошо помню ту ночь, потому что волнение не давало мне уснуть», — сказал Ми.

Полученные в результате шелка червя-паука примерно в шесть раз прочнее кевлара, но при этом остаются гибкими. Это удивительно, говорит Джонс, потому что волокна, в которых используется MiSp, не всегда эластичны. В качестве бонуса шелкопряды также естественным образом распыляют на волокна своего рода защитное покрытие для укрепления волокон. Это сделало их потенциально более прочный чем предыдущий искусственно созданный паучий шелк.

Команда продолжает изучать свою вычислительную модель для разработки биологически совместимого шелка для медицинских шовных материалов. Кроме того, они надеются стать более креативными. Синтетические биологи давно хотели разработать искусственные аминокислоты (молекулярные фрагменты, из которых состоят белки). Что произойдет, если мы добавим синтетические аминокислоты в биоразлагаемые ткани?

«Введение более ста инженерных аминокислот открывает безграничный потенциал для инженерных волокон паучьего шелка», — сказал Ми.

Изображение предоставлено: Цзюньпэн Ми, Колледж биологических наук и медицинской инженерии, Университет Дунхуа, Шанхай, Китай.