หนอนไหมดัดแปลงพันธุกรรม Spin Spider Silk 6x แกร่งกว่าเคฟล่าร์

เผยแพร่ซ้ำโดยเพลโต

ผู้ติดตาม: 0

หนอนไหมดัดแปลงพันธุกรรม Spin Spider Silk 6x แข็งแกร่งกว่า Kevlar PlatoBlockchain Data Intelligence ค้นหาแนวตั้ง AI.

วันก่อน ฉันพุ่งหัวเข้าไปในใยแมงมุมขณะหลับครึ่งหลับอยู่ในรถตู้ออกบ้าน

นอกจากกรีดร้องแล้ว ส่วนที่เป็นตรรกะของฉันยังประหลาดใจกับความรวดเร็วของแมลงคลานที่น่าขนลุกตัวหนึ่งที่ถักทอใยที่ซับซ้อนและยืดหยุ่นได้อย่างน่าประหลาดใจในเวลาเพียงไม่กี่ชั่วโมง

ใยแมงมุมเป็นสิ่งมหัศจรรย์ทางธรรมชาติ มีความทนทานและต้านทานความเสียหายแต่ยังมีความยืดหยุ่นสูงอีกด้วย ผ้าไหมมีน้ำหนักเบา แข็งแรง และย่อยสลายได้ทางชีวภาพ สามารถใช้กับอะไรก็ได้ตั้งแต่การเย็บแผลไปจนถึงเสื้อเกราะกันกระสุน

ทำไมเราไม่ผลิตผ้าไหมเหล่านี้เพื่อการบริโภคของมนุษย์มากขึ้น? แมงมุมเป็นเครื่องจักรผลิตทางชีวภาพที่แย่มาก นอกเหนือจากปัจจัยที่น่าขนลุกแล้ว พวกมันสามารถต่อสู้ได้ดีมาก—รวมพวกมันไว้สองสามร้อยตัว แล้วในไม่ช้าคุณก็จะเหลือผู้ชนะเพียงไม่กี่คนและมีผลงานน้อยมาก

ต้องขอบคุณพันธุวิศวกรรมที่ทำให้ตอนนี้เราอาจมีวิธีที่จะข้ามแมงมุมไปโดยสิ้นเชิงในการผลิตใยแมงมุม

In เรียน เผยแพร่เมื่อสัปดาห์ที่แล้ว ทีมงานจากมหาวิทยาลัยตงหัวในประเทศจีนใช้ CRISPR เพื่อสร้างหนอนไหมดัดแปลงพันธุกรรมที่สามารถผลิตไหมแมงมุมได้ เส้นที่ได้จะมีความแข็งกว่าเคฟล่าร์ซึ่งเป็นส่วนประกอบสังเคราะห์ที่ใช้ในเสื้อเกราะกันกระสุน เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุสังเคราะห์ ใยแมงมุมดังกล่าวเป็นทางเลือกที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพมากกว่ามาก ซึ่งอาจปรับขนาดเพื่อการผลิตได้ง่าย

ดร.จัสติน โจนส์ จากมหาวิทยาลัยแห่งรัฐยูทาห์ ซึ่งไม่เกี่ยวข้องกับการศึกษาวิจัยนี้ ได้ให้การอนุมัติลายทอใหม่ วัสดุที่ได้คือ “เส้นใยประสิทธิภาพสูงจริงๆ” เขา กล่าวว่า ไปยัง วิทยาศาสตร์.

ในขณะเดียวกัน สำหรับผู้เขียนแล้ว กลยุทธ์ของพวกเขาไม่ได้จำกัดอยู่เพียงใยแมงมุมเท่านั้น การศึกษานี้ได้เปิดเผยหลักการทางชีวฟิสิกส์หลายประการในการสร้างวัสดุไหมที่มีความแข็งแรงและความยืดหยุ่นเป็นพิเศษ

การทดลองเพิ่มเติมอาจทำให้สิ่งทอรุ่นต่อไปเกินขีดความสามารถในปัจจุบัน

ของหนอน สัตว์ขาปล้อง และประวัติศาสตร์

ธรรมชาติมอบแรงบันดาลใจมากมายสำหรับวัสดุที่ล้ำสมัย

ใช้ตีนตุ๊กแกซึ่งเป็นวัสดุแบบตะขอและห่วงที่อาจแขวนผ้าเช็ดตัวในห้องน้ำหรือยึดรองเท้าเด็กของคุณ วัตถุดิบที่แพร่หลายก็คือ กำเนิดครั้งแรกโดยวิศวกรชาวสวิส George de Mestral ในปี 1940 เมื่อพยายามปัดเศษเสี้ยนออกจากกางเกงหลังเดินป่า เมื่อมองผ่านกล้องจุลทรรศน์อีกครั้ง พบว่าครีบมีตะขอแหลมคมซึ่งเกี่ยวเข้ากับผ้า De Mestral เปลี่ยนความรำคาญในการเดินป่าให้กลายเป็นผ้าแบบตีนตุ๊กแกที่มีจำหน่ายตามร้านฮาร์ดแวร์ทุกแห่งในปัจจุบัน

ตัวอย่างที่มีหนามน้อยกว่าคือผ้าไหม เพาะเลี้ยงครั้งแรกโดยจีนโบราณ ประมาณ 5,000 ปีที่แล้วผ้าไหมถูกปั่นจากไหมตัวมหึมาและปั่นเป็นผืนผ้าโดยใช้เครื่องทอผ้าแบบดั้งเดิม ผ้าไหมที่ละเอียดอ่อนเหล่านี้แพร่กระจายไปทั่วเอเชียตะวันออกและตะวันตก ช่วยสร้างเส้นทางสายไหมในตำนาน

แต่อย่างที่ใครก็ตามที่เป็นเจ้าของเสื้อผ้าไหมหรือผ้าปูที่นอนจะรู้ดีว่าสิ่งเหล่านี้เป็นวัสดุที่ละเอียดอ่อนอย่างไม่น่าเชื่อซึ่งฉีกขาดและแตกหักง่าย

ความท้าทายที่เราเผชิญกับผ้าไหมหนอนไหมนั้นมีวัสดุส่วนใหญ่เหมือนกัน

ปัญหาหนึ่งคือความแข็งแกร่ง: วัสดุที่ยืดออกได้มากเพียงใดเมื่อเวลาผ่านไป ลองนึกภาพการดึงเสื้อสเวตเตอร์ที่หดตัวเล็กน้อยหลังการซัก ยิ่งเส้นใยมีความแข็งแรงน้อย เสื้อผ้าก็จะคงรูปทรงได้น้อยลง ปัญหาอีกอย่างคือความแกร่ง พูดง่ายๆ ก็คือปริมาณพลังงานที่วัสดุสามารถดูดซับได้ก่อนที่จะสลายตัว เสื้อสเวตเตอร์เก่าๆ ก็สามารถรูดรูได้ง่ายเพียงแค่ลากจูง ในทางกลับกัน เคฟล่าร์ซึ่งเป็นวัสดุกันกระสุนสามารถรับกระสุนได้อย่างแท้จริง

น่าเสียดายที่คุณสมบัติทั้งสองนี้ไม่เหมือนกันในวัสดุเชิงวิศวกรรมในปัจจุบัน ทีมงานกล่าว

อย่างไรก็ตาม ธรรมชาติมีวิธีแก้ปัญหา: ใยแมงมุมมีทั้งความแข็งแรงและเหนียว ปัญหาคือการแย่งชิงสัตว์ขาปล้องเพื่อผลิตไหมในสภาพแวดล้อมที่ปลอดภัยและมีประสิทธิภาพ สัตว์เหล่านี้เป็นสัตว์นักล่าที่ดุร้าย หนอนไหมร้อยตัวที่ถูกกักขังสามารถกอดได้อย่างสงบ โยนแมงมุมนับร้อยตัวเข้าด้วยกัน แล้วคุณจะได้อาบเลือด โดยมีเพียงหนึ่งหรือสองตัวที่ยังมีชีวิตอยู่

มดลูกแมงมุม

จะเป็นอย่างไรถ้าเราสามารถผสมผสานสิ่งที่ดีที่สุดของหนอนไหมและแมงมุมเข้าด้วยกันได้?

นักวิทยาศาสตร์ได้ อยากมานานแล้ว วิศวกร “พบปะ-น่ารัก” วันที่ทั้งสองสายพันธุ์ด้วยความช่วยเหลือของพันธุวิศวกรรม ไม่ มันไม่ใช่รอมคอมข้ามสายพันธุ์ แนวคิดหลักคือการทำให้หนอนไหมมีความสามารถในการผลิตไหมแมงมุมทางพันธุกรรม

แต่ยีนที่เข้ารหัสโปรตีนไหมแมงมุมนั้นมีจำนวนมาก สิ่งนี้ทำให้พวกมันยากที่จะติดอยู่ในรหัสพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตอื่น ๆ โดยไม่มีเซลล์ธรรมชาติมากเกินไปและทำให้พวกเขาล้มเหลว

ในตอนแรก ทีมงานได้ใช้วิธีการคำนวณเพื่อค้นหาโครงสร้างขั้นต่ำของผ้าไหม แบบจำลองที่ได้จะจับคู่ความแตกต่างของโปรตีนไหมระหว่างหนอนไหมและแมงมุม โชคดีที่ทั้งสองสายพันธุ์ปั่นเส้นใยออกจากโครงสร้างโปรตีนที่คล้ายกัน ซึ่งเรียกว่าเส้นใยโพลีเอไมด์ แม้ว่าแต่ละชนิดจะขึ้นอยู่กับส่วนประกอบโปรตีนที่แตกต่างกันก็ตาม

โชคอีกเล็กน้อยคือการแบ่งปันกายวิภาคศาสตร์ “ต่อมไหมของหนอนไหมในประเทศและต่อมไหมแมงมุมมีสภาพแวดล้อมทางกายภาพและเคมีที่คล้ายคลึงกันอย่างน่าทึ่ง ทีมงานกล่าว

เมื่อใช้แบบจำลองนี้ พวกเขาระบุองค์ประกอบสำคัญที่ช่วยเพิ่มความแข็งแรงและความเหนียวของไหม ซึ่งเป็นโปรตีนไหมที่มีขนาดค่อนข้างเล็ก MiSp ซึ่งพบใน อาราเนอุส เวนตริโคซัส แมงมุมจากเอเชียตะวันออก

ด้วย CRISPR-Cas9 ซึ่งเป็นเครื่องมือแก้ไขยีน ทีมงานจึงเพิ่มยีนที่เข้ารหัสสำหรับ MiSp ลงในหนอนไหม ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วจะกระตุ้นให้พวกมันหมุนไหมแมงมุม การบรรลุเป้าหมายนี้ถือเป็นฝันร้ายทางเทคโนโลยีที่ต้องอาศัย นับร้อยนับพัน ของการฉีดแบบไมโครเข้าไปในไข่ของหนอนไหมที่ปฏิสนธิเพื่อแก้ไขต่อมที่ปั่นไหม ในการตรวจสอบสุขภาพจิต ทีมงานยังได้เพิ่มยีนที่ทำให้ดวงตาของหนอนไหมเรืองแสงสีแดงอย่างน่าขนลุก ซึ่งส่งสัญญาณถึงความสำเร็จ

ผู้เขียนศึกษา Junpeng Mi “เต้นและวิ่งไปหา” ผู้เขียนนำห้องทำงานของ Dr. Meng Qing “ฉันจำคืนนั้นได้ชัดเจน เพราะความตื่นเต้นทำให้ฉันตื่นตัว” มิกล่าว

เส้นไหมแมงมุม-หนอนที่ได้นั้นแข็งแกร่งกว่าเคฟล่าร์ประมาณหกเท่าแต่ยังคงความยืดหยุ่นได้ โจนส์กล่าวน่าแปลกใจ เนื่องจากเส้นใยที่ใช้ MiSp ไม่ได้ยืดตัวเสมอไป นอกจากนี้ หนอนไหมยังพ่นสารเคลือบป้องกันตามธรรมชาติเพื่อเสริมสร้างเส้นใยอีกด้วย สิ่งนี้ทำให้พวกเขามีศักยภาพ คงทนมากขึ้น กว่าไหมใยแมงมุมที่ประดิษฐ์ขึ้นในสมัยก่อน

ทีมงานกำลังสำรวจแบบจำลองการคำนวณเพิ่มเติมเพื่อออกแบบผ้าไหมที่เข้ากันได้ทางชีวภาพสำหรับการเย็บทางการแพทย์ นอกเหนือจากนั้นพวกเขาหวังว่าจะได้สร้างสรรค์มากขึ้น นักชีววิทยาสังเคราะห์ต้องการพัฒนากรดอะมิโนเทียมมานานแล้ว (ชิ้นส่วนโมเลกุลที่ประกอบเป็นโปรตีน) จะเกิดอะไรขึ้นถ้าเราเติมกรดอะมิโนสังเคราะห์ลงในผ้าที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ

“การแนะนำกรดอะมิโนเชิงวิศวกรรมมากกว่าหนึ่งร้อยชนิดถือเป็นศักยภาพอันไร้ขีดจำกัดสำหรับเส้นใยไหมแมงมุมเชิงวิศวกรรม” Mi กล่าว

เครดิตรูปภาพ: Junpeng Mi วิทยาลัยวิทยาศาสตร์ชีวภาพและวิศวกรรมการแพทย์ มหาวิทยาลัย Donghua เซี่ยงไฮ้ ประเทศจีน