Naukowcy inżynieryjni używają bakterii do tworzenia biosyntetycznego jedwabiu silniejszego i bardziej rozciągliwego niż poprzednio.

Jedwab pajęczyny jest jednym z najmocniejszych i najtwardszych materiałów w świecie przyrody, tak silnym jak niektóre stopy stali o twardości nawet większej niż kuloodporny Kevlar. Niespotykane połączenie siły i twardości pajęczego jedwabiu sprawiło, że ten materiał na bazie białka jest pożądany do wielu zastosowań, od super cienkich szwów chirurgicznych po odzież odporną na pociski. Niestety, ze względu na terytorialny i kanibalistyczny charakter pająków, ich jedwab nie był możliwy do masowej produkcji, więc praktyczne zastosowania jeszcze się nie zmaterializowały.

Naukowcy byli w stanie stworzyć pewne formy syntetycznego jedwabiu pająkowego, ale nie byli w stanie zaprojektować materiału, który zawiera większość, jeśli nie wszystkie cechy naturalnego jedwabiu.

Do tej pory.

Naukowcy z Wydziału Inżynierii i Nauk Stosowanych na Uniwersytecie Waszyngtońskim w St. Louis opracowali bakterie, które wytwarzają biosyntetyczny jedwab pajęczyny z wydajnością odpowiadającą jego naturalnym odpowiednikom we wszystkich ważnych działaniach. I odkryli coś ekscytującego w kwestii przyszłych możliwości.

Nowe badania ujawniają, że ​​wytrzymałość na rozciąganie i wytrzymałość jedwabiu pajęczego pozostaje dodatnio skorelowana z jego masą cząsteczkową - im większa cząsteczka, tym silniejszy jedwab - nawet w syntetycznym jedwabiu o masie prawie dwa razy większej niż w poprzednim rekordzie.

Ludzie już wiedzieli o tej korelacji, ale tylko z białkami o mniejszych rozmiarach Odkryto, że nawet przy tak dużych rozmiarach wciąż istnieje bardzo dobra korelacja.

Jednym z największych wyzwań historycznych tworzących biosyntetyczny jedwab pajęczyny było stworzenie wystarczająco dużej ilości białka. Wyzwanie było tak duże że, wymagało zupełnie nowego podejścia.

Zaczęliśmy od tego, co zrobili inni, tworząc genetycznie powtarzaną sekwencję. DNA modelowano po sekwencji u pająków odpowiedzialnych za tworzenie białka jedwabiu. Teoretycznie im więcej powtórzeń sekwencji, tym większe powstające białko.
Kiedy jednak sekwencja DNA osiągnie pewien rozmiar, "bakterie nie mogą sobie z nią poradzić, rozdrabniają sekwencję na mniejsze kawałki.

Christopher Bowen, doktorant w laboratorium Zhanga.

Jest to problem występujący wiele razy w poprzednich działaniach. Aby ominąć tę długotrwałą przeszkodę, Bowen i współautorzy dodali krótką sekwencję genetyczną do jedwabnego DNA, która promuje reakcję chemiczną pomiędzy powstałymi białkami, łącząc je razem, tworząc jeszcze większe białko, większe niż kiedykolwiek wyprodukowano.

"Wytworzyliśmy białka dwa razy większe niż wcześniej", powiedział Bowen. Ich łańcuchy białek jedwabiu wynoszą 556 kDa. Wcześniej największym biosyntetycznym białkiem jedwabiu pająkowatym było 285 kDa. Nawet naturalne białko jedwabiu drenażowego wynosi około 370 kDa.

Bowen i współautorzy przerobili następnie swoje wyjątkowo duże biosyntetyczne białka jedwabiu na włókna o jednej dziesiątej średnicy ludzkiego włosa i zbadali ich właściwości mechaniczne. Ten biosyntetyczny jedwab jest pierwszym, który powtarza naturalny jedwab pajęczyny pod względem: wytrzymałości na rozciąganie (maksymalne naprężenie potrzebne do rozbicia włókna), twardości (całkowita energia pochłaniana przez włókno przed rozbiciem), a także innych parametrów mechanicznych, takich jak elastyczność moduł i rozciągliwość.

Idąc dalej, laboratorium Zhanga dąży do umieszczenia biosyntetycznych włókien jedwabiu, aby zastąpić niektóre z wielu syntetycznych włókien na bazie ropy naftowej stosowanych w przemyśle.

"Będziemy nadal pracować nad tym, aby proces był bardziej skalowalny i ekonomiczny, ułatwiając obsługę, zmniejszając ilość potrzebnych chemikaliów i zwiększając solidność i wydajność", powiedział Zhang.

Grupa Zhang planuje także dalsze badanie granic nowego podejścia. Oprócz wytwarzania pierwszych biosyntetycznych włókien jedwabnych w celu pełnego odtworzenia działania naturalnego jedwabiu pajęczego, ich praca silnie sugeruje, że wytrzymałość tych włókien będzie nadal wzrastać, jeśli uda się wytworzyć nawet większe białka.

Ciekawe czy naukowcom uda się choć trochę zbliżyć do wytrzymałości Grafenu.

Źródło: Google, Washington University in St. Louis.