Mikrobielt fremstillede fibre:Stærkere end stål, hårdere end Kevlar

Edderkoppesilke siges at være en af ​​de stærkeste, de hårdeste materialer på jorden. Nu har ingeniører ved Washington University i St. Louis designet amyloid silke hybridproteiner og produceret dem i manipulerede bakterier. De resulterende fibre er stærkere og sejere end nogle naturlige edderkoppesilke.

Deres forskning blev offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano.

For at være præcis, den kunstige silke - kaldet "polymer amyloid" fiber - blev ikke teknisk fremstillet af forskere, men af ​​bakterier, der blev gensplejset i laboratoriet i Fuzhong Zhang, professor ved Institut for Energi, Environmental &Chemical Engineering i McKelvey School of Engineering.

Zhang har arbejdet med edderkoppesilke før. I 2018, hans laboratorium konstruerede bakterier, der producerede en rekombinant edderkoppesilke med ydeevne på niveau med dets naturlige modstykker i alle de vigtige mekaniske egenskaber.

"Efter vores tidligere arbejde, Jeg spekulerede på, om vi kunne skabe noget bedre end edderkoppesilke ved hjælp af vores syntetiske biologiske platform, " sagde Zhang.

Forskerholdet, som inkluderer første forfatter Jingyao Li, en ph.d. studerende i Zhangs laboratorium, ændrede aminosyresekvensen af ​​edderkoppesilkeproteiner for at introducere nye egenskaber, samtidig med at nogle af de attraktive egenskaber ved edderkoppesilke bevares.

Et problem forbundet med rekombinant edderkoppesilkefiber - uden væsentlig modifikation fra naturlig edderkoppesilkesekvens - er behovet for at skabe β-nanokrystaller, en hovedbestanddel af naturlig edderkoppesilke, som bidrager til dens styrke. "Edderkopper har fundet ud af, hvordan man spinder fibre med en ønskværdig mængde nanokrystaller, " sagde Zhang. "Men når mennesker bruger kunstige spindeprocesser, mængden af ​​nanokrystaller i en syntetisk silkefiber er ofte lavere end dens naturlige modstykke."

For at løse dette problem, holdet redesignede silkesekvensen ved at introducere amyloidsekvenser, der har høj tendens til at danne β-nanokrystaller. De skabte forskellige polymere amyloidproteiner ved at bruge tre velundersøgte amyloidsekvenser som repræsentanter. De resulterende proteiner havde mindre gentagne aminosyresekvenser end edderkoppesilke, gør dem nemmere at blive produceret af manipulerede bakterier. Ultimativt, bakterierne producerede et hybridt polymert amyloidprotein med 128 gentagne enheder. Rekombinant ekspression af edderkoppesilkeprotein med lignende gentagne enheder har vist sig at være vanskelig.

Jo længere protein, jo stærkere og sejere er den resulterende fiber. 128-gentagelsesproteinerne resulterede i en fiber med gigapascal styrke (et mål for, hvor meget kraft der skal til for at bryde en fiber med fast diameter), som er stærkere end almindeligt stål. Fibrenes sejhed (et mål for hvor meget energi der skal til for at bryde en fiber) er højere end Kevlar og alle tidligere rekombinante silkefibre. Dens styrke og sejhed er endnu højere end nogle rapporterede naturlige edderkoppesilkefibre.

I samarbejde med Young-Shin Jun, professor ved Institut for Energi, Miljø- og kemiteknik, og hendes ph.d. studerende Yaguang Zhu, holdet bekræftede, at de høje mekaniske egenskaber af de polymere amyloidfibre faktisk kommer fra den øgede mængde β-nanokrystaller.

Disse nye proteiner og de resulterende fibre er ikke slutningen på historien for højtydende syntetiske fibre i Zhang-laboratoriet. De er lige begyndt. "Dette viser, at vi kan konstruere biologi til at producere materialer, der slår det bedste materiale i naturen, " sagde Zhang.