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美利用細菌制造出超強生物合成絲

  蜘蛛絲是自然界最強韌的材料之一,和一些鋼鐵合金一樣堅韌,韌性甚至比防彈Kevlar纖維還要強。蜘蛛絲無與倫比的強度和韌性的結合使這種蛋白質類的材料從超薄手術縫合線到防彈服裝的許多應用領域都非常理想。不幸的是,由于蜘蛛的領土性和食人性,它們的絲已經不可能會大規模生產,所以實際應用尚未實現。

  科學家們已經能夠創造出某些形式的合成蜘蛛絲,但是已經無法設計出包括大部分天然絲特性的材料。

  時至當今,華盛頓大學-圣路易斯工程與應用科學學院的研究人員設計了一種能產生生物合成蛛絲的細菌,合成的蛛絲在所有的重要測試中都能與天然的天然絲相媲美。并且他們發現了一些令人興奮的可能性存在。

  這項發表在820日星期一的“Biomacromolecules”《生物大分子》雜志上的最新研究顯示,蜘蛛絲的拉伸強度和韌性與其分子量保持著正相關(分子質量越大,絲拉伸強度越強),即使是人造絲,質量也是之前記錄保持的兩倍。

  工程與應用科學學院的副教授Fuzhong Zhang說:“人們已知只有小尺寸的蛋白質,才會有這種相關性,但我們發現,即使在大的尺寸下,拉伸強度和韌性與其分子量仍然具有很好的相關性。”

  制造生物合成蜘蛛絲最大的歷史挑戰之一是制造出足夠大的蛋白質。挑戰是如此的巨大,事實上,它需要一種全新的方法。

  “我們從其他人的做法開始,制作一個重復的基因序列,”張的實驗室博士生Christopher Bowen說。DNA序列是根據生產絲蛋白蜘蛛的DNA序列建模的。理論上,序列重復的越多,得到的蛋白質就越大。

  然而,當DNA序列達到一定大小后,“細菌無法處理它,他們把序列切成更小的片段” ,Bowen說。這是一個在以前的工作中已經遇到過的問題。為了繞過這個長期存在的障礙,Bowen和他的合作者向絲DNA中添加了一個短的基因序列,該基因序列促進產生蛋白質之間的化學反應,將它們融合在一起,形成一個甚至更大的蛋白質,比之前生產和純化過的任何時候的蛋白質都要大。

  Bowen說:“我們制造的蛋白質基本上是以前其他人所能夠制造的兩倍。”它們的絲蛋白鏈為556 kDa,以前,生物合成蜘蛛絲蛋白最大的是285 kDa。即使是天然的牽引絲蛋白也大約只有370 kDa,盡管含有一些大的離群點。

  Bowen及其合作者隨后將其特大的生物合成絲蛋白紡成直徑約為人類頭發十分之一的纖維,并測試其機械性能。這種生物合成絲在拉伸強度(斷裂纖維所需的最大應力)、韌性(斷裂前纖維吸收的總能量)以及其他機械參數(如彈性模量和伸長率)方面首次可重復天然蜘蛛絲的性能。

  展望未來,Zhang先生的實驗室正定位致力于生產生物合成絲纖維,以取代工業上大量使用的石油基合成纖維。

  Zhang說:“我們將繼續努力,使該工藝更易于操作、減少所需的化學藥品數量、提高穩定性和效率,使該工藝更具有可擴展性和經濟性。”

  Zhang團隊還計劃進一步研究其新方法的局限性。除了生產第一種完全復制天然蜘蛛絲性能的生物合成絲纖維以外,他們的工作顯著表明,如果能夠生產出更大的蛋白質,這些纖維的強度和韌性將繼續增加。(文章來源:紡織導報)

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