211service.com
Wykonywanie materiałów o wytrzymałości pająka
Naukowcy od dziesięcioleci próbują wytwarzać sztuczny pajęczy jedwab – lekki, twardszy niż stal materiał, który mógłby mieć niezliczone zastosowania przemysłowe. W ważnym kroku w kierunku tego celu naukowcy z Tufts University stworzyli genetycznie zmodyfikowane drobnoustroje, które produkują więcej białek potrzebnych do wytworzenia jedwabiu pajęczego niż kiedykolwiek wcześniej.
Jedwab mikrobowy: Włókno to składa się z wysokiej jakości białek pajęczego jedwabiu, produkowanych przez genetycznie zmodyfikowane bakterie.
Jedwab z liny holowniczej — typ, którego pająki używają do tworzenia obręczy i szprych swoich sieci — jest twardszy i znacznie lżejszy niż stal. Zmodyfikowane bakterie mogą wytwarzać białka potrzebne do syntezy tego jedwabiu, który jest splatany w celu wytworzenia włókien. Jednak wcześniejsze próby wytwarzania jedwabiu pajęczego przy użyciu bakterii zostały z kilku powodów zniweczone. Po pierwsze, naukowcy mieli niepełny obraz sekwencji genu jedwabiu dragline. Po drugie, odnieśli ograniczony sukces w modyfikowaniu bakterii, aby wytwarzały wystarczającą ilość białek.
David Kaplan , przewodniczący wydziału inżynierii biomedycznej na Uniwersytecie Tufts, jest pionierem w stosowaniu jedwabiu jedwabnika w urządzeniach medycznych, biodegradowalnej elektronice, urządzeniach optycznych i klejach. Uważa, że pajęczy jedwab, który jest silniejszy niż jedwabnik, może otworzyć nowe zastosowania, ale mówi: Nie został tak bardzo zbadany, ponieważ nie mieliśmy wystarczającej ilości materiału. Pająki są agresywne i terytorialne, dlatego nie mogą być hodowane jak jedwabniki.
Bioinżynierowie odnieśli jedynie skromny sukces w nakłanianiu drobnoustrojów do wytwarzania białek pajęczego jedwabiu. Chemiczny gigant DuPont w latach 90. bezskutecznie próbowała opracować jedwabny produkt wytwarzany przez bakterie. Część problemu polega na tym, że pajęczy jedwab jest zrobiony z bardzo dużego białka o wysoce powtarzalnej sekwencji genetycznej, co utrudnia jej odszyfrowanie, mówi Christopher Voigt , profesor chemii farmaceutycznej na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Francisco.
W zeszłym roku naukowcy wykorzystujący nowe technologie sekwencjonowania stworzyli pierwszą kompletną sekwencję genetyczną jedwabiu pajęczego. Wcześniej naukowcy byli zmuszeni używać skróconych genów jedwabiu, a włókna wykonane przy użyciu tych genów nie były tak mocne i wytrzymałe jak naturalny jedwab.
Nawet przy pełnej sekwencji genu jedwabiu dragline produkcja sztucznego jedwabiu jest wyzwaniem. Wytworzenie wystarczającej ilości białka wymaga większej ilości materiału wyjściowego niż naturalnie zawierają bakterie. Współpracując z naukowcami z Korea Advanced Institute of Science and Technology w Daejeon i Seoul National University, Kaplan dodał pełny gen jedwabiu do E coli a następnie zmienił ścieżkę wytwarzania białka przez bakterie, tak aby wytwarzała wystarczające ilości aminokwasów potrzebnych do produkcji jedwabiu. Wcześniej zmodyfikowane bakterie były w stanie wyprodukować tylko dziesiątki miligramów białka na litr. Kaplana E coli wydajność od jednego do dwóch gramów na litr.
Wyraźnie to pokazali E coli może wytwarzać te duże białka i zaprojektować je tak, aby miały odpowiednie zasoby, mówi Randy Lewis , profesor biologii molekularnej na Uniwersytecie Wyoming. Lewis przewiduje, że w ciągu kilku lat możliwe będzie wykorzystanie systemu bakteryjnego do wyprodukowania kilogramowych ilości sztucznego jedwabiu pajęczego.
Kaplan mówi, że to jego plan. Chcielibyśmy, aby był to ciągły proces produkcyjny – mówi.
Kaplan mówi, że teraz potrzebne są bardziej energooszczędne metody przekształcania białek we włókna. Stosując metody przędzenia podobne do tych stosowanych do wytwarzania włókien polimerowych, takich jak poliester, jego grupa stworzyła włókna z białek zespołu o właściwościach porównywalnych do naturalnego jedwabiu dragline pod względem wytrzymałości, elastyczności i twardości. Ponieważ jednak białka pajęczego jedwabiu są delikatne i nierozpuszczalne w wodzie, przędzenie ich we włókna wymaga obróbki w wysokiej temperaturze i ostrych rozpuszczalników.
Złożenie włókien wymaga ogromnej ilości energii, mówi Kaplan. Naukowcy zajmujący się materiałami chcieliby wytwarzać włókna jedwabiu tak, jak robią to pająki: w temperaturze otoczenia, bez ostrych rozpuszczalników.
Nowatorskie podejście do problemu jest realizowane przez: Łukasza Lee , dyrektor centrum nanotechnologii molekularnej na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. Projektuje systemy przędzalnicze, które zawierają kanały mikroprzepływowe zaprojektowane w celu zapewnienia gradientów soli i rozpuszczalników występujących w gruczołach pająków. Firma o nazwie Materiały refaktoryzowane , założona przez uczniów Lee i Voigta, również pracuje nad problemem spinningu.