Трансгенний шовкопряд Spin Spider Silk у 6 разів міцніший за кевлар

Перевидано Платоном

читають: 0

Трансгенні шовкопряди Spin Spider Silk у 6 разів міцніші за кевлар PlatoBlockchain Data Intelligence. Вертикальний пошук. Ai.

Днями я пірнув головою вперед у павутину, напівсонний у своєму автофургоні.

Крім криків, логічна частина мене дивувалася тому, як швидко один моторошний плазун сплетив таке заплутане — і напрочуд стрибуче й пружне — мережу всього за кілька годин.

Павутинний шовк - диво природи. Він міцний і стійкий до пошкоджень, але також дуже гнучкий. Легкий, міцний і біорозкладний шовк можна використовувати для будь-чого, від хірургічних швів до бронежилетів.

Чому б нам не виробляти більше цього шовку для споживання людиною? Павуки — жахливі біологічні виробничі машини. Не дивлячись на жахливий фактор, вони дуже войовничі — об’єднайте кілька сотень, і незабаром ви залишитеся з жменькою переможців і дуже мало продукту.

Однак завдяки генній інженерії тепер у нас може бути спосіб взагалі відмовитися від павуків у виробництві павутинного шовку.

In дослідження опублікованому минулого тижня, команда з університету Дунхуа в Китаї використовувала CRISPR для створення генетично модифікованих шовкопрядів, які можуть виробляти павутинний шовк. Отримані нитки міцніші, ніж кевлар — синтетичний компонент, який використовується в бронежилетах. У порівнянні з синтетичними матеріалами такий павутинний шовк є набагато більш біорозкладаною альтернативою, яку можна легко масштабувати для виробництва.

Доктор Джастін Джонс з Університету штату Юта, який не брав участі в дослідженні, схвалив нове плетіння. Отриманий матеріал є «справді високоефективним волокном», сказав він сказав до наука.

Тим часом, на думку авторів, їхня стратегія не обмежується павутиною. Дослідження розкрило кілька біофізичних принципів створення шовкових матеріалів виняткової міцності та гнучкості.

Подальші експерименти потенційно можуть дати текстиль наступного покоління за межі поточних можливостей.

Про червів, членистоногих та історію

Природа дарує багатство натхнення для створення найсучасніших матеріалів.

Візьміть липучку, матеріал на липучках, який може використовуватися для кріплення рушників або взуття вашої дитини. Всюдисущий матеріал був вперше задуманий швейцарським інженером Джорджем де Местралем у 1940-х роках при спробі зчистити задирки зі штанів після походу. Подальший погляд під мікроскопом показав, що задирки мають гострі гачки, які зачіпляють петлі в тканині. De Mestral перетворив незручність для походів у тканину на липучках, доступну сьогодні у всіх господарських магазинах.

Менш колючим прикладом є шовк. Вперше культивований у стародавньому Китаї приблизно 5,000 років тому, шовк прядуть із звивистих круглих шовкопрядів і виробляють тканини за допомогою примітивних ткацьких верстатів. Цей ніжний шовк поширився по всій Східній Азії та на заході, допомагаючи заснувати легендарний Шовковий шлях.

Проте, як знає кожен, хто володів шовковим одягом або простирадлами, це неймовірно делікатні матеріали, які легко рвуться та ламаються.

Проблеми, з якими ми стикаємося з шовком шовкопряда, поділяють більшість матеріалів.

Однією з проблем є міцність: скільки розтягується матеріал з часом. Уявіть, що ви смикаєте трохи зморщений светр після прання. Чим менша міцність волокон, тим менша ймовірність того, що одяг буде тримати форму. Інша проблема – міцність. Простіше кажучи, це скільки енергії може поглинути матеріал, перш ніж зруйнуватися. Старий светр легко продирається, просто потягнувши його. З іншого боку, кевлар, куленепробивний матеріал, може буквально приймати кулі.

На жаль, ці дві властивості є взаємовиключними в сучасних інженерних матеріалах, сказала команда.

Однак у природи є рішення: павутинний шовк міцний і міцний. Проблема полягає в сварці членистоногих для виробництва шовку в безпечному та ефективному середовищі. Ці тварини є злісними хижаками. Сто шовкопрядів у неволі можуть обійматися спокійно; киньте разом сотню павуків, і ви отримаєте кровопролиття, в якому лише один або двоє залишаться живими.

Утроба хробака-павука

Що, якби ми змогли поєднати найкраще з шовкопрядів і павуків?

Вчені мають давно хотіла інженер "зустрічай-мила” датувати два види за допомогою генної інженерії. Ні, це не міжвидовий rom-com. Основна ідея полягає в тому, щоб генетично наділити шовкопрядів здатністю виробляти павутинний шовк.

Але гени, що кодують білки шовку павуків, великі. Це робить їх складними для застрягання в генетичному коді інших істот, не перевантажуючи природні клітини та не спричиняючи їхню несправність.

Тут команда вперше використала обчислювальний метод, щоб знайти мінімальну структуру шовку. Отримана модель відобразила відмінності білків шовку між шовкопрядами та павуками. На щастя, обидва види прядуть волокна з подібних білкових структур, які називаються поліамідними волокнами, хоча кожен з них базується на різних білкових компонентах.

Ще одна частка удачі - спільна анатомія. «Шовкові залози домашніх шовкопрядів і шовкові залози павуків демонструють надзвичайно схоже» фізичне та хімічне середовище, сказала команда.

Використовуючи модель, вони визначили критичний компонент, який підвищує міцність і міцність шовку — відносно невеликий білок шовку, MiSp, знайдений у Araneus ventricosus павуки зі Східної Азії.

За допомогою CRISPR-Cas9, інструменту для редагування генів, команда потім додала гени, що кодують MiSp, у шовкопрядів, по суті перенастроївши їх на прядіння павутинного шовку. Здійснення цього було технологічним кошмаром, який вимагав сотні тисяч мікроін’єкцій у запліднені яйця шовкопряда для редагування їхніх шовкопрядильних залоз. Щоб перевірити здоровий глузд, команда також додала ген, через який очі шовкопрядів сяяли нав’язливо червоним, що означало успіх.

Автор дослідження Цзюньпен Мі «танцював і практично побіг до» кабінету головного автора, доктора Мен Ціна. «Я добре пам’ятаю ту ніч, оскільки хвилювання не давало мені заснути», — сказала Мі.

Отриманий шовк у формі черв'яка та павука приблизно в шість разів міцніший за кевлар, але все ще гнучкий. Це дивно, сказав Джонс, тому що волокна, які використовують MiSp, не завжди еластичні. Як бонус, шовкопряди також природно розпорошили своєрідне захисне покриття для зміцнення волокон. Це зробило їх потенційно більш міцний ніж попередній штучно виготовлений павутинний шовк.

Команда продовжує вивчати свою обчислювальну модель для розробки біологічно сумісного шовку для медичних швів. Крім того, вони сподіваються стати більш творчими. Біологи-синтетики давно хотіли розробити штучні амінокислоти (молекулярні частини, з яких складаються білки). Що станеться, якщо ми додамо синтетичні амінокислоти до біорозкладаних тканин?

«Впровадження понад ста штучних амінокислот має безмежний потенціал для штучних волокон павутинного шовку», — сказав Мі.

Автор зображення: Junpeng Mi, Коледж біологічних наук та медичної інженерії, Університет Дунхуа, Шанхай, Китай