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美国科学家利用细菌制造出超强韧生物合成丝
发布时间:2018-08-27   点击次数:24次

蜘蛛丝是自然界最强韧的材料之一,和一些钢铁合金一样坚韧,韧性甚至比防弹Kevlar纤维还要强。蜘蛛丝无与伦比的强度和韧性的结合使这种蛋白质类的材料从超薄手术缝合线到防弹服装的许多应用领域都非常理想。不幸的是,由于蜘蛛的领土性和食人性,它们的丝已经不可能会大规模生产,所以实际应用尚未实现。

科学家们已经能够创造出某些形式的合成蜘蛛丝,但是已经无法设计出包括大部分天然丝特性的材料。

时至当今,华盛顿大学-圣路易斯工程与应用科学学院的研究人员设计了一种能产生生物合成蛛丝的细菌,合成的蛛丝在所有的重要测试中都能与天然的天然丝相媲美。并且他们发现了一些令人兴奋的可能性存在。

这项发表在8月20日星期一的“Biomacromolecules”《生物大分子》杂志上的最新研究显示,蜘蛛丝的拉伸强度和韧性与其分子量保持着正相关(分子质量越大,丝拉伸强度越强),即使是人造丝,质量也是之前记录保持的两倍。

工程与应用科学学院的副教授Fuzhong Zhang说:“人们已知只有小尺寸的蛋白质,才会有这种相关性,但我们发现,即使在大的尺寸下,拉伸强度和韧性与其分子量仍然具有很好的相关性。”

制造生物合成蜘蛛丝最大的历史挑战之一是制造出足够大的蛋白质。挑战是如此的巨大,事实上,它需要一种全新的方法。

“我们从其他人的做法开始,制作一个重复的基因序列,”张的实验室博士生Christopher Bowen说。DNA序列是根据生产丝蛋白蜘蛛的DNA序列建模的。理论上,序列重复的越多,得到的蛋白质就越大。

然而,当DNA序列达到一定大小后,“细菌无法处理它,他们把序列切成更小的片段” ,Bowen说。这是一个在以前的工作中已经遇到过的问题。为了绕过这个长期存在的障碍,Bowen和他的合作者向丝DNA中添加了一个短的基因序列,该基因序列促进产生蛋白质之间的化学反应,将它们融合在一起,形成一个甚至更大的蛋白质,比之前生产和纯化过的任何时候的蛋白质都要大。

Bowen说:“我们制造的蛋白质基本上是以前其他人所能够制造的两倍。”它们的丝蛋白链为556 kDa,以前,生物合成蜘蛛丝蛋白最大的是285 kDa。即使是天然的牵引丝蛋白也大约只有370 kDa,尽管含有一些大的离群点。

Bowen及其合作者随后将其特大的生物合成丝蛋白纺成直径约为人类头发十分之一的纤维,并测试其机械性能。这种生物合成丝在拉伸强度(断裂纤维所需的最大应力)、韧性(断裂前纤维吸收的总能量)以及其他机械参数(如弹性模量和伸长率)方面首次可重复天然蜘蛛丝的性能。

展望未来,Zhang先生的实验室正定位致力于生产生物合成丝纤维,以取代工业上大量使用的石油基合成纤维。

Zhang说:“我们将继续努力,使该工艺更易于操作、减少所需的化学药品数量、提高稳定性和效率,使该工艺更具有可扩展性和经济性。”

Zhang团队还计划进一步研究其新方法的局限性。除了生产第一种完全复制天然蜘蛛丝性能的生物合成丝纤维以外,他们的工作显著表明,如果能够生产出更大的蛋白质,这些纤维的强度和韧性将继续增加。

 

(来源:材料科技在线)

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