Transgene sviloprejke predejo pajkovo svilo, ki je 6x trdnejša od kevlarja

Ponovno objavil Platon

Spremljevalci: 0

Transgene sviloprejke Spin Spider Silk so 6x močnejše od kevlarja PlatoBlockchain Data Intelligence. Navpično iskanje. Ai.

Pred dnevi sem se na glavo potopil v pajkovo mrežo, medtem ko sem napol spal v svojem avtodomu.

Če pustimo krike na strani, se je logični del mene čudil, kako hitro je en sam srhljiv plazilec v samo nekaj urah spletel tako zapleteno – in presenetljivo poskočno in prožno – mrežo.

Pajkova svila je naravni čudež. Je trden in odporen na poškodbe, a je tudi zelo prilagodljiv. Lahka, močna in biološko razgradljiva svila se lahko uporablja za vse, od kirurških šivov do neprebojnih jopičev.

Zakaj ne bi proizvedli več te svile za prehrano ljudi? Pajki so strašni biološki proizvodni stroji. Če pustimo grozljiv dejavnik na strani, so zelo bojeviti – združite jih nekaj sto in kmalu boste ostali s peščico zmagovalcev in zelo malo izdelkov.

Zahvaljujoč genskemu inženiringu pa imamo morda zdaj način, da pajke v celoti preskočimo pri proizvodnji pajkove svile.

In študija objavljeno prejšnji teden, je skupina z univerze Donghua na Kitajskem uporabila CRISPR za ustvarjanje gensko spremenjenih sviloprejk, ki lahko proizvajajo pajkovo svilo. Nastali prameni so močnejši od kevlarja – sintetične komponente, ki se uporablja v neprebojnih jopičih. V primerjavi s sintetičnimi materiali je takšna pajkova svila veliko bolj biološko razgradljiva alternativa, ki jo je mogoče zlahka prilagoditi proizvodnji.

Dr. Justin Jones z državne univerze Utah, ki ni bil vključen v študijo, je novo vezavo pozdravil. Nastali material je "res visoko zmogljivo vlakno," je dejal je dejal do Znanost.

Medtem avtorji menijo, da njihova strategija ni omejena na pajkovo svilo. Študija je razkrila več biofizikalnih principov za izdelavo svilenih materialov z izjemno močjo in prožnostjo.

Nadaljnje eksperimentiranje bi lahko prineslo tekstil naslednje generacije, ki presega trenutne zmogljivosti.

O črvih, členonožcih in zgodovini

Narava ponuja bogastvo navdiha za vrhunske materiale.

Vzemite Velcro, material za zapenjanje, s katerim lahko obesite kopalniške brisače ali pritrdite otroške čevlje. Vseprisotno gradivo je bilo Prvič si ga je zamislil švicarski inženir George de Mestral v štiridesetih letih prejšnjega stoletja ko poskuša po pohodu zbrisati neravnine s svojih hlač. Nadaljnji pogled pod mikroskopom je pokazal, da imajo brazde ostre kljuke, ki so zajele zanke v tkanini. De Mestral je pohodniško nadlogo spremenil v tkanino na kljuke in zanke, ki je danes na voljo v vseh trgovinah s strojno opremo.

Manj bodičast primer je svila. Najprej ga je gojila starodavna Kitajska pred približno 5,000 leti, svilo predejo iz zvitih, zaobljenih sviloprejk in jih predejo v tkanine s pomočjo primitivnih statev. Ta občutljiva svila se je razširila po vsej vzhodni Aziji in na zahod ter pomagala vzpostaviti legendarno svileno pot.

Toda kot ve vsakdo, ki ima svileno oblačilo ali rjuhe, so to neverjetno občutljivi materiali, ki se zlahka strgajo in pokvarijo.

Izzivi, s katerimi se soočamo s svilo sviloprejk, so enaki večini materialov.

Ena težava je trdnost: koliko raztezanja lahko prenese material skozi čas. Predstavljajte si, da po pranju vlečete rahlo skrčen pulover. Manjša ko so vlakna trdna, manjša je verjetnost, da bo oblačilo obdržalo obliko. Druga težava je žilavost. Preprosto povedano, to je, koliko energije lahko material absorbira, preden se razgradi. Star pulover bo z lahkoto izvrtal luknje že s potegom. Po drugi strani pa lahko kevlar, neprebojni material, dobesedno prenese naboje.

Na žalost se ti dve lastnosti medsebojno izključujeta v današnjih inženirskih materialih, je dejala ekipa.

Narava pa ima rešitev: pajkova svila je hkrati močna in žilava. Težava je v prepiranju členonožcev za proizvodnjo svile v varnem in učinkovitem okolju. Te živali so zlobni plenilci. Sto sviloprejk v ujetništvu se lahko v miru crklja; vrzi sto pajkov skupaj in dobiš prelivanje krvi, iz katerega le eden ali dva ostaneta živa.

Maternica pajkovega črva

Kaj pa, če bi lahko združili najboljše od sviloprejk in pajkov?

Znanstveniki so dolgo želel inženir "srečaj-srčkan” datum za obe vrsti s pomočjo genskega inženiringa. Ne, to ni rom-com med vrstami. Glavna ideja je gensko podariti sviloprejkam sposobnost proizvajanja pajkove svile.

Toda geni, ki kodirajo beljakovine pajkove svile, so veliki. Zaradi tega jih je težko zatakniti v genetsko kodo drugih bitij, ne da bi preobremenili naravne celice in povzročili njihovo odpoved.

Tu je ekipa najprej uporabila računalniško metodo za iskanje minimalne strukture svile. Nastali model je preslikal razlike v beljakovinah svile med sviloprejkami in pajki. Na srečo obe vrsti predeta vlakna iz podobnih beljakovinskih struktur – imenovanih poliamidna vlakna – čeprav vsaka temelji na različnih beljakovinskih komponentah.

Še en kanček sreče je skupna anatomija. "Svilne žleze domačih sviloprejk in pajkove svilene žleze kažejo izjemno podobna" fizična in kemična okolja, je dejala ekipa.

Z uporabo modela so identificirali kritično komponento, ki povečuje trdnost in žilavost svile – razmeroma majhen svilen protein, MiSp, ki ga najdemo v Araneus ventricosus pajki iz vzhodne Azije.

S CRISPR-Cas9, orodjem za urejanje genov, je ekipa nato dodala gene, ki kodirajo MiSp, v sviloprejke – v bistvu jih je ponovno spodbudila, da predejo pajkovo svilo. Doseči to je bila tehnološka nočna mora, ki je zahtevala več sto tisoč mikroinjiciranja v oplojena jajčeca sviloprejk za urejanje njihovih svilopredilnih žlez. Kot preverjanje zdravega razuma je ekipa dodala tudi gen, zaradi katerega so se oči sviloprejk žarele srhljivo rdeče, kar je pomenilo uspeh.

Avtor študije Junpeng Mi je »zaplesala in praktično stekla« v ordinacijo glavne avtorice, dr. Meng Qing. »Tiste noči se živo spominjam, saj mi vznemirjenje ni dalo spati,« je povedala Mi.

Nastala svila v obliki črva in pajka je približno šestkrat trdnejša od kevlarja, a še vedno prožna. Presenetljivo je, je dejal Jones, ker vlakna, ki uporabljajo MiSp, niso vedno raztegljiva. Kot bonus so sviloprejke tudi naravno popršile nekakšen zaščitni premaz za krepitev vlaken. To jih je naredilo potencialno bolj trpežne kot prejšnja umetno izdelana pajkova svila.

Ekipa nadalje raziskuje svoj računalniški model za oblikovanje biološko združljive svile za medicinske šive. Poleg tega upajo, da bodo postali bolj ustvarjalni. Sintetični biologi so že dolgo želeli razviti umetne aminokisline (molekularne dele, ki sestavljajo beljakovine). Kaj bi se zgodilo, če bi biorazgradljivim tkaninam dodali sintetične aminokisline?

"Uvedba več kot stotih inženirskih aminokislin ima neomejen potencial za inženirska vlakna pajkove svile," je dejal Mi.

Avtorstvo slike: Junpeng Mi, Fakulteta za biološke znanosti in medicinski inženiring, Univerza Donghua, Šanghaj, Kitajska