Tằm biến đổi gen Kéo tơ nhện bền gấp 6 lần Kevlar

Tằm biến đổi gen Kéo tơ nhện bền gấp 6 lần Kevlar

Dấu thời gian: 26:2023 PM ngày 1 tháng 00 năm XNUMX
Tằm biến đổi gen quay tơ nhện bền hơn 6 lần so với Kevlar PlatoBlockchain Data Intelligence. Tìm kiếm dọc. Ái.

Một ngày nọ, tôi lao đầu vào mạng nhện khi đang nửa ngủ nửa tỉnh trong chiếc xe cắm trại của mình.

Bỏ qua những tiếng la hét, phần logic trong tôi ngạc nhiên khi thấy một con bọ đáng sợ đã dệt nên một mạng lưới phức tạp—và có độ nảy và khả năng phục hồi đáng ngạc nhiên—chỉ trong vài giờ.

Tơ nhện là một kỳ quan thiên nhiên. Nó cứng và có khả năng chống hư hại nhưng cũng rất linh hoạt. Nhẹ, bền và có khả năng phân hủy sinh học, loại lụa này có thể được sử dụng cho mọi thứ, từ chỉ khâu phẫu thuật đến áo chống đạn.

Tại sao chúng ta không sản xuất nhiều loại lụa này hơn để phục vụ con người? Nhện là cỗ máy sản xuất sinh học khủng khiếp. Bỏ yếu tố đáng sợ sang một bên, chúng rất hiếu chiến - tập hợp vài trăm người lại với nhau và bạn sẽ sớm chỉ còn lại một số ít người chiến thắng và rất ít sản phẩm.

Tuy nhiên, nhờ kỹ thuật di truyền, giờ đây chúng ta có thể có cách loại bỏ hoàn toàn nhện trong quá trình sản xuất tơ nhện.

In một nghiên cứu được công bố vào tuần trước, một nhóm từ Đại học Donghua ở Trung Quốc đã sử dụng CRISPR để tạo ra những con tằm biến đổi gen có thể sản xuất tơ nhện. Các sợi kết quả cứng hơn Kevlar - một thành phần tổng hợp được sử dụng trong áo chống đạn. So với các vật liệu tổng hợp, tơ nhện như vậy là vật liệu thay thế dễ phân hủy sinh học hơn và có thể dễ dàng mở rộng quy mô để sản xuất.

Tiến sĩ Justin Jones tại Đại học bang Utah, người không tham gia vào nghiên cứu, đã gật đầu đồng tình với kiểu dệt mới. Ông cho biết vật liệu thu được là “một loại sợi có hiệu suất thực sự cao”. nói đến Khoa học.

Trong khi đó, đối với các tác giả, chiến lược của họ không chỉ giới hạn ở tơ nhện. Nghiên cứu đã khám phá ra một số nguyên tắc sinh lý để tạo nên vật liệu tơ tằm có độ bền và tính linh hoạt đặc biệt.

Thử nghiệm sâu hơn có thể mang lại hàng dệt may thế hệ tiếp theo vượt xa khả năng hiện tại.

Về giun, động vật chân đốt và lịch sử

Thiên nhiên mang lại nguồn cảm hứng dồi dào cho những vật liệu tiên tiến.

Lấy Velcro, vật liệu móc và vòng có thể dùng để treo khăn tắm hoặc buộc giày của con bạn. Vật liệu có mặt ở khắp mọi nơi là được hình thành lần đầu tiên bởi kỹ sư người Thụy Sĩ George de Mestral vào những năm 1940 khi cố gắng phủi vết xước trên quần sau một chuyến đi bộ đường dài. Nhìn sâu hơn dưới kính hiển vi cho thấy các gờ có những móc sắc nhọn làm vướng vào các vòng vải. De Mestral đã biến sự phiền toái khi đi bộ đường dài thành loại vải móc và vòng có sẵn ở tất cả các cửa hàng kim khí ngày nay.

Một ví dụ ít gai góc hơn là lụa. Được nuôi dưỡng đầu tiên bởi Trung Quốc cổ đại khoảng 5,000 năm trước, lụa được kéo ra từ những con tằm vặn vẹo, vặn vẹo và kéo thành vải bằng khung dệt thô sơ. Những loại lụa mỏng manh này lan rộng khắp Đông Á và phía Tây, giúp hình thành Con đường Tơ lụa huyền thoại.

Tuy nhiên, như bất kỳ ai từng sở hữu quần áo hoặc khăn trải giường bằng lụa đều biết, đây là những chất liệu cực kỳ mỏng manh, dễ bị rách và hư hỏng.

Hầu hết các chất liệu đều có chung những thách thức mà chúng ta gặp phải với tơ tằm.

Một vấn đề là độ bền: vật liệu có thể chịu được độ giãn bao nhiêu theo thời gian. Hãy tưởng tượng bạn phải kéo một chiếc áo len hơi co lại sau khi giặt. Sợi càng có ít độ bền thì quần áo càng khó giữ được hình dạng. Vấn đề còn lại là độ dẻo dai. Nói một cách đơn giản, đó là lượng năng lượng mà vật liệu có thể hấp thụ trước khi phân hủy. Một chiếc áo len cũ sẽ dễ dàng bị thủng lỗ chỉ bằng một cú kéo. Mặt khác, Kevlar, một vật liệu chống đạn, có thể chịu được đạn theo đúng nghĩa đen.

Nhóm nghiên cứu cho biết, thật không may, hai đặc tính này loại trừ lẫn nhau trong các vật liệu kỹ thuật ngày nay.

Tuy nhiên, thiên nhiên có một giải pháp: tơ nhện vừa bền vừa dai. Vấn đề là phải tranh giành các loài động vật chân đốt để sản xuất tơ trong một môi trường an toàn và hiệu quả. Những con vật này là những kẻ săn mồi hung ác. Trăm con tằm bị giam cầm có thể ôm nhau bình yên; ném hàng trăm con nhện lại với nhau và bạn sẽ có một cuộc tắm máu trong đó chỉ một hoặc hai con còn sống.

Tử cung của giun nhện

Điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta có thể kết hợp những điểm tốt nhất của tằm và nhện?

Các nhà khoa học có đã muốn từ lâu kỹ sư một “gặp dễ thương” hẹn hò của hai loài với sự trợ giúp của kỹ thuật di truyền. Không, đây không phải là một bộ phim hài lãng mạn đa chủng loại. Ý tưởng chính là ban cho tằm khả năng sản xuất tơ nhện về mặt di truyền.

Nhưng các gen mã hóa protein tơ nhện rất lớn. Điều này khiến chúng khó xâm nhập vào mã di truyền của các sinh vật khác mà không lấn át các tế bào tự nhiên và khiến chúng bị hỏng.

Tại đây, nhóm nghiên cứu lần đầu tiên sử dụng phương pháp tính toán để tìm ra cấu trúc tối thiểu của tơ. Mô hình thu được đã lập bản đồ sự khác biệt về protein tơ giữa tằm và nhện. May mắn thay, cả hai loại sợi đều có cấu trúc protein tương tự nhau – được gọi là sợi polyamit – mặc dù mỗi loại đều dựa trên các thành phần protein khác nhau.

Một chút may mắn nữa là việc chia sẻ giải phẫu. Nhóm nghiên cứu cho biết: “Các tuyến tơ của tằm nhà và tuyến tơ nhện có môi trường vật lý và hóa học tương tự nhau một cách đáng kể”.

Bằng cách sử dụng mô hình này, họ đã xác định được một thành phần quan trọng giúp tăng độ bền và độ dai của tơ – một loại protein tơ tương đối nhỏ, MiSp, được tìm thấy trong Araneus bụng thất nhện từ Đông Á.

Với CRISPR-Cas9, một công cụ chỉnh sửa gen, nhóm nghiên cứu sau đó đã thêm các gen mã hóa MiSp vào tằm – về cơ bản là tái tạo chúng để quay tơ nhện. Thực hiện được điều này là một cơn ác mộng về mặt công nghệ, đòi hỏi hàng trăm ngàn tiêm vi chất vào trứng tằm đã thụ tinh để chỉnh sửa tuyến kéo tơ của chúng. Để kiểm tra sự tỉnh táo, nhóm nghiên cứu cũng bổ sung thêm một gen khiến mắt tằm phát sáng màu đỏ ám ảnh, báo hiệu thành công.

Tác giả nghiên cứu Junpeng Mi “nhảy múa và gần như chạy đến” tác giả chính, văn phòng của Tiến sĩ Meng Qing. “Tôi nhớ rất rõ đêm đó, sự phấn khích khiến tôi tỉnh táo”, Mi nói.

Tơ nhện thu được cứng hơn khoảng sáu lần so với Kevlar nhưng vẫn mềm dẻo. Jones nói, thật đáng ngạc nhiên vì sợi sử dụng MiSp không phải lúc nào cũng co giãn. Như một phần thưởng, tằm còn phun một cách tự nhiên một loại lớp phủ bảo vệ để tăng độ bền cho các sợi. Điều này khiến họ có khả năng bền hơn hơn tơ nhện nhân tạo trước đây.

Nhóm nghiên cứu đang tiếp tục khám phá mô hình tính toán của họ để thiết kế loại tơ tương thích sinh học cho chỉ khâu y tế. Ngoài ra, họ hy vọng sẽ sáng tạo hơn. Các nhà sinh học tổng hợp từ lâu đã mong muốn phát triển các axit amin nhân tạo (các phân tử tạo nên protein). Điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta thêm axit amin tổng hợp vào vải có khả năng phân hủy sinh học?

Mi cho biết: “Việc đưa vào sử dụng hơn một trăm axit amin được thiết kế mang lại tiềm năng vô hạn cho các sợi tơ nhện được thiết kế”.

Người cung cấp hình ảnh: Junpeng Mi, Đại học Khoa học Sinh học và Kỹ thuật Y tế, Đại học Donghua, Thượng Hải, Trung Quốc

Dấu thời gian:

Thêm từ Trung tâm cá biệt