美國(guó)科學(xué)家利用細(xì)菌制造出超強(qiáng)韌生物合成絲

蜘蛛絲是自然界最強(qiáng)韌的材料之一,和一些鋼鐵合金一樣堅(jiān)韌,韌性甚至比防彈Kevlar纖維還要強(qiáng)。蜘蛛絲無(wú)與倫比的強(qiáng)度和韌性的結(jié)合使這種蛋白質(zhì)類的材料從超薄手術(shù)縫合線到防彈服裝的許多應(yīng)用領(lǐng)域都非常理想。不幸的是,由于蜘蛛的領(lǐng)土性和食人性,它們的絲已經(jīng)不可能會(huì)大規(guī)模生產(chǎn),所以實(shí)際應(yīng)用尚未實(shí)現(xiàn)。

科學(xué)家們已經(jīng)能夠創(chuàng)造出某些形式的合成蜘蛛絲,但是已經(jīng)無(wú)法設(shè)計(jì)出包括大部分天然絲特性的材料。

時(shí)至當(dāng)今,華盛頓大學(xué)-圣路易斯工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的研究人員設(shè)計(jì)了一種能產(chǎn)生生物合成蛛絲的細(xì)菌,合成的蛛絲在所有的重要測(cè)試中都能與天然的天然絲相媲美。并且他們發(fā)現(xiàn)了一些令人興奮的可能性存在。

這項(xiàng)發(fā)表在2018年8月20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(qiáng)度和韌性與其分子量保持著正相關(guān)(分子質(zhì)量越大,絲拉伸強(qiáng)度越強(qiáng)),即使是人造絲,質(zhì)量也是之前記錄保持的兩倍。

工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的副教授Fuzhong Zhang說(shuō)：“人們已知只有小尺寸的蛋白質(zhì),才會(huì)有這種相關(guān)性,但我們發(fā)現(xiàn),即使在大的尺寸下,拉伸強(qiáng)度和韌性與其分子量仍然具有很好的相關(guān)性。”

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

“我們從其他人的做法開(kāi)始,制作一個(gè)重復(fù)的基因序列,”張的實(shí)驗(yàn)室博士生Christopher Bowen說(shuō)。DNA序列是根據(jù)生產(chǎn)絲蛋白蜘蛛的DNA序列建模的。理論上,序列重復(fù)的越多,得到的蛋白質(zhì)就越大。

然而,當(dāng)DNA序列達(dá)到一定大小后,“細(xì)菌無(wú)法處理它,他們把序列切成更小的片段”,Bowen說(shuō)。這是一個(gè)在以前的工作中已經(jīng)遇到過(guò)的問(wèn)題。為了繞過(guò)這個(gè)長(zhǎng)期存在的障礙,Bowen和他的合作者向絲DNA中添加了一個(gè)短的基因序列,該基因序列促進(jìn)產(chǎn)生蛋白質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng),將它們?nèi)诤显谝黄?形成一個(gè)甚至更大的蛋白質(zhì),比之前生產(chǎn)和純化過(guò)的任何時(shí)候的蛋白質(zhì)都要大。

Bowen說(shuō)：“我們制造的蛋白質(zhì)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 k Da,以前,生物合成蜘蛛絲蛋白最大的是285 k Da。即使是天然的牽引絲蛋白也大約只有370 k Da,盡管含有一些大的離群點(diǎn)。

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(fā)十分之一的纖維,并測(cè)試其機(jī)械性能。這種生物合成絲在拉伸強(qiáng)度(斷裂纖維所需的最大應(yīng)力)、韌性(斷裂前纖維吸收的總能量)以及其他機(jī)械參數(shù)(如彈性模量和伸長(zhǎng)率)方面首次可重復(fù)天然蜘蛛絲的性能。

展望未來(lái),Zhang先生的實(shí)驗(yàn)室正定位致力于生產(chǎn)生物合成絲纖維,以取代工業(yè)上大量使用的石油基合成纖維。

Zhang說(shuō)：“我們將繼續(xù)努力,使該工藝更易于操作、減少所需的化學(xué)藥品數(shù)量、提高穩(wěn)定性和效率,使該工藝更具有可擴(kuò)展性和經(jīng)濟(jì)性。”

Zhang團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃進(jìn)一步研究其新方法的局限性。除了生產(chǎn)第一種完全復(fù)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(chǎn)出更大的蛋白質(zhì),這些纖維的強(qiáng)度和韌性將繼續(xù)增加。