A transzgenikus selyemhernyók Spider Silk-et 6x keményebbek, mint a kevlárt

Újra kiadta Platón

Követő: 0

A minap fejjel előre belevágtam egy pókhálóba, miközben félálomban a lakóautómban.

A sikolyokat félretéve, a logikus részem elcsodálkozott azon, milyen gyorsan szőtt egyetlen hátborzongató háló néhány óra alatt egy ilyen bonyolult – és meglepően pattogó és rugalmas – hálót.

A pókselyem egy természeti csoda. Kemény és ellenáll a sérüléseknek, de rendkívül rugalmas is. A könnyű, erős és biológiailag lebomló selyem a sebészeti varratoktól a golyóálló mellényekig bármihez használható.

Miért nem gyártunk több ilyen selymet emberi fogyasztásra? A pókok szörnyű biológiai gyártógépek. A hátborzongató tényezőt leszámítva nagyon harciasak – ha összeraksz néhány százat, hamarosan egy maroknyi győztes és nagyon kevés termék marad.

A géntechnológiának köszönhetően azonban most már módunk lehet arra, hogy teljesen kihagyjuk a pókokat a pókselyem gyártásából.

In Egy tanulmány A múlt héten publikálták, hogy a kínai Donghua Egyetem csapata a CRISPR segítségével olyan génmanipulált selyemhernyót hozott létre, amely képes pókselymet termelni. Az így kapott szálak keményebbek, mint a kevlár – a golyóálló mellényekben használt szintetikus alkatrész. A szintetikus anyagokhoz képest az ilyen pókselyem sokkal biológiailag lebomlóbb alternatíva, amely könnyen méretezhető a gyártáshoz.

Dr. Justin Jones a Utah Állami Egyetemről, aki nem vett részt a vizsgálatban, helyeslően bólintott az új szövésre. A kapott anyag „egy igazán nagy teljesítményű szál” – mondta mondott nak nek Tudomány.

Eközben a szerzők szerint stratégiájuk nem korlátozódik a pókselyemre. A tanulmány számos biofizikai elvet tárt fel a kivételes szilárdságú és rugalmasságú selyemanyagok építőiparában.

A további kísérletezés potenciálisan új generációs textíliákat eredményezhet, amelyek meghaladja a jelenlegi lehetőségeket.

A férgekről, az ízeltlábúakról és a történelemről

A természet rengeteg inspirációt kínál a legmodernebb anyagokhoz.

Vegyük a tépőzárat, a tépőzáras anyagot, amely a fürdőszobai törölközők felakasztására vagy a gyerekcipők rögzítésére szolgál. A mindenütt jelen lévő anyag az volt először George de Mestral svájci mérnök fogant meg az 1940-es években amikor egy túra után megpróbálja letörölni a sorját a nadrágjáról. A mikroszkóp alatti további pillantás azt mutatta, hogy a sorjákon éles horgok vannak, amelyek hurkokat akasztottak a szövetbe. A De Mestral a túrázás kellemetlenségét a ma minden vasboltban kapható horog- és hurkaszövetté változtatta.

Egy kevésbé szúrós példa a selyem. Először az ókori Kína tenyésztette ki nagyjából 5,000 XNUMX évvel ezelőtt, a selymet vonagló, gömbölyű selyemhernyókból fonják, és primitív szövőszékek segítségével fonják szövetekké. Ezek a finom selymek Kelet-Ázsiában és nyugatra is elterjedtek, elősegítve a legendás Selyemút létrehozását.

Bár mindenki tudja, akinek van selyemruhája vagy lepedője, ezek hihetetlenül finom anyagok, amelyek könnyen szakadnak és tönkremennek.

A selyemhernyó-selyemmel kapcsolatos kihívások a legtöbb anyagra jellemzőek.

Az egyik probléma az erő: mekkora nyúlást bír el egy anyag az idő múlásával. Képzelje el, hogy mosás után felránt egy kissé zsugorodott pulóvert. Minél kevésbé erősek a szálak, annál kevésbé valószínű, hogy a ruha megtartja formáját. A másik probléma a keménység. Egyszerűen fogalmazva, ez az, hogy egy anyag mennyi energiát képes elnyelni, mielőtt lebomlik. Egy régi pulóver egy rántással könnyen lyukakat vág. Másrészt a kevlár, egy golyóálló anyag, szó szerint elbírja a golyókat.

Sajnos a két tulajdonság kizárja egymást a mai mérnöki anyagokban – mondta a csapat.

A természetnek azonban van megoldása: a pókselyem egyszerre erős és szívós. A probléma az ízeltlábúak összefonódása, hogy biztonságos és hatékony környezetben selymet termeljenek. Ezek az állatok gonosz ragadozók. Száz selyemhernyó fogságban nyugodtan összebújhat; dobj össze száz pókot, és vérfürdőt kapsz, amiből csak egy-kettő marad életben.

Pókféreg méh

Mi lenne, ha kombinálnánk a selyemhernyók és a pókok legjobbjait?

A tudósok régóta szerette volna mérnök egy "találkozunk-aranyos” dátumot a két fajra géntechnológia segítségével. Nem, ez nem egy fajok közötti rom-com. A fő ötlet az, hogy genetikailag felruházza a selyemhernyókat a pókselyem előállításának képességével.

De a pókselyemfehérjéket kódoló gének nagyok. Ez megnehezíti őket, hogy beilleszkedjenek más lények genetikai kódjába anélkül, hogy túlterhelnék a természetes sejteket, és tönkretennék őket.

Itt a csapat először használt számítási módszert a selyem minimális szerkezetének levadászására. Az eredményül kapott modell feltérképezte a selyemhernyók és a pókok közötti selyemfehérje különbségeket. Szerencsére mindkét faj hasonló fehérjestruktúrákból – úgynevezett poliamid rostokból – fonja ki a rostokat, bár mindegyik más-más fehérjekomponensen alapul.

Egy másik szerencse a közös anatómia. „A házi selyemhernyók és a pókselyemmirigyek selyemmirigyei rendkívül hasonló” fizikai és kémiai környezetet mutatnak – mondta a csapat.

A modell segítségével azonosítottak egy kritikus komponenst, amely növeli a selyem szilárdságát és szívósságát – egy viszonylag kis méretű selyemfehérjét, a MiSp-t, amelyet Araneus ventricosus pókok Kelet-Ázsiából.

A CRISPR-Cas9, egy génszerkesztő eszköz segítségével a csapat a MiSp-t kódoló géneket hozzáadta a selyemhernyókhoz – ezzel lényegében pókselyem fonássá alakítva őket. Ennek megvalósítása technológiai rémálom volt, megkövetelt százezrek mikroinjekciókat a megtermékenyített selyemhernyó-petékbe, hogy szerkeszthessék selyemforgó mirigyeiket. A józanság ellenőrzéseként a csapat hozzáadott egy gént is, amely a selyemhernyók szemeit kísértetiesen vörösre varázsolta, ami sikert jelez.

Tanulmány szerzője Junpeng Mi „táncolt, és gyakorlatilag elszaladt” a vezető szerzőhöz, Dr. Meng Qing irodájához. „Élén emlékszem arra az éjszakára, mivel az izgalom ébren tartott” – mondta Mi.

Az így kapott féregpók selymek nagyjából hatszor keményebbek, mint a kevlár, de még mindig rugalmasak. Meglepő, mondta Jones, mert a MiSp-t használó szálak nem mindig rugalmasak. Bónuszként a selyemhernyók természetesen egyfajta védőbevonatot is szórtak a szálak megerősítésére. Ez potenciálissá tette őket tartósabb mint a korábbi mesterségesen készített pók selyem.

A csapat tovább vizsgálja számítási modelljét, hogy biológiailag kompatibilis selymet tervezzen orvosi varratokhoz. Ezen túlmenően azt remélik, hogy kreatívabbak lesznek. A szintetikus biológusok régóta szerették volna mesterséges aminosavakat (a fehérjéket alkotó molekuladarabokat) kifejleszteni. Mi történne, ha szintetikus aminosavakat adnánk a biológiailag lebomló szövetekhez?

„A több mint száz mesterségesen előállított aminosav bevezetése határtalan lehetőségeket rejt magában a mesterséges pók selyemszálak számára” – mondta Mi.

A kép forrása: Junpeng Mi, Biológiai Tudományok és Orvostechnikai Főiskola, Donghua Egyetem, Sanghaj, Kína