Волокна микробиологического происхождения: прочнее стали и кевлара

Считается, что паучий шелк - один из самых прочных и жестких материалов на Земле. Теперь инженеры из Вашингтонского университета в Сент-Луисе разработали гибридные белки амилоидного шелка и произвели их в искусственно созданных бактериях.

Полученные волокна прочнее и жестче, чем некоторые виды натурального паучьего шелка. Их исследование было опубликовано в журнале ACS Nano.

Уникальные свойства нового волокна

Точнее говоря, искусственный шелк, получивший название "полимерное амилоидное" волокно, был произведен не исследователями, а бактериями, которые были генетически модифицированы в лаборатории Фучжуна Чжана, профессора кафедры энергетики, экологии и химической инженерии инженерной школы Маккелви.

Подписывайтесь на наш youtube канал!

Чжан и раньше работал с паучьим шелком. В 2018 году его лаборатория создала бактерии, которые произвели рекомбинантный паучий шелк, по всем важным механическим свойствам не уступающий природным аналогам.

"После нашей предыдущей работы мне стало интересно, сможем ли мы создать что-то лучшее, чем паучий шелк, используя нашу платформу синтетической биологии", - сказал Чжан.

Исследовательская группа, в которую входит первый автор Цзиньяо Ли, аспирант лаборатории Чжана, изменила аминокислотную последовательность белков паучьего шелка, чтобы придать им новые свойства, сохранив при этом некоторые привлекательные особенности паучьего шелка.

Проблема, связанная с рекомбинантным волокном паучьего шелка без существенной модификации последовательности натурального паучьего шелка, заключается в необходимости создания β-нанокристаллов, основного компонента натурального паучьего шелка, который способствует его прочности. "Пауки придумали, как прясть волокна с желаемым количеством нанокристаллов", - сказал Чжан. "Но когда люди используют искусственные процессы прядения, количество нанокристаллов в синтетическом шелковом волокне часто оказывается ниже, чем в натуральном".

Чтобы решить эту проблему, команда перепроектировала последовательность шелка, введя амилоидные последовательности, которые имеют высокую склонность к образованию β-нанокристаллов. Они создали различные полимерные амилоидные белки, используя три хорошо изученные амилоидные последовательности в качестве представителей. Полученные белки имели меньше повторяющихся аминокислотных последовательностей, чем паучий шелк, что облегчало их производство с помощью инженерных бактерий. В конечном итоге бактерии произвели гибридный полимерный амилоидный белок со 128 повторяющимися единицами. Рекомбинантная экспрессия белка паучьего шелка с подобными повторяющимися единицами оказалась сложной задачей.

Чем длиннее белок, тем прочнее и жестче получаемое волокно. В результате использования 128-повторяющихся белков было получено волокно с гигапаскальной прочностью (мера силы, необходимой для разрыва волокна фиксированного диаметра), которое прочнее обычной стали. Прочность волокна (показатель того, сколько энергии необходимо для разрыва волокна) выше, чем у кевлара и всех предыдущих рекомбинантных шелковых волокон. Его прочность и жесткость даже выше, чем у некоторых известных волокон натурального паучьего шелка.

В сотрудничестве с Янг-Шин Джун, профессором кафедры энергетики, экологии и химической инженерии, и ее аспирантом Ягуаном Чжу, команда подтвердила, что высокие механические свойства полимерных амилоидных волокон действительно обусловлены повышенным количеством β-нанокристаллов.

Эти новые белки и полученные волокна - не конец истории о высокоэффективных синтетических волокнах в лаборатории Чжан. Они только начинают. "Это демонстрирует, что мы можем использовать биологию для производства материалов, которые превосходят лучшие материалы в природе", - сказал Чжан. опубликовано econet.ru по материалам phys.org

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet