Волокна микробного происхождения: прочнее стали, прочнее кевлара

Их исследование опубликовано в журнале. САУ Нано.

Белки с 128 повторами привели к получению волокна с гигапаскальной прочностью, которое прочнее, чем обычная сталь. Прочность волокон выше, чем у кевлара и всех предыдущих рекомбинантных шелковых волокон. Его прочность и жесткость даже выше, чем у некоторых натуральных волокон паучьего шелка. Предоставлено: Вашингтонский университет в Сент-Луисе / Цзинъяо Ли.

Если быть точным, искусственный шелк, получивший название «полимерное амилоидное» волокно, технически производился не исследователями, а бактериями, которые были генетически модифицированы в лаборатории Фучжун Чжана, профессора кафедры энергетики, окружающей среды и химической инженерии Инженерная школа Маккелви.

Чжан раньше работал с паутинным шелком. В 2018 году его лаборатория сконструировала бактерии, которые произвели рекомбинантный паучий шелк с характеристиками, сопоставимыми с его естественными аналогами по всем важным механическим свойствам.

«После нашей предыдущей работы я подумал, можем ли мы создать что-то лучше, чем паучий шелк, используя нашу платформу синтетической биологии», – сказал Чжан.

Исследовательская группа, в которую входит первый автор Цзинъяо Ли, доктор философии. Студент в лаборатории Чжана модифицировал аминокислотную последовательность белков паучьего шелка, чтобы ввести новые свойства, сохранив при этом некоторые привлекательные свойства 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 выяснили, как скручивать волокна с желаемым количеством нанокристаллов», – сказал Чжан. «Но когда люди используют процессы искусственного прядения, количество нанокристаллов в синтетическом шелковом волокне часто ниже, чем в его натуральном аналоге».

Чтобы решить эту проблему, команда переработала последовательность шелка, добавив амилоидные последовательности, которые имеют высокую тенденцию к образованию β-нанокристаллов. Они создали различные полимерные амилоидные белки, используя в качестве представителей три хорошо изученные амилоидные последовательности. Полученные белки имели менее повторяющиеся аминокислотные последовательности, чем шелк паука, что облегчало их производство искусственно созданными бактериями. В конечном итоге бактерии продуцировали гибридный полимерный амилоидный белок со 128 повторяющимися единицами. Рекомбинантная экспрессия белка шелка паука с подобными повторяющимися единицами оказалась затруднительной.

В этой таблице сравниваются прочность и прочность различных натуральных и рекомбинантных шелковых волокон. Красным цветом обозначено полимерное амилоидное волокно, разработанное в лаборатории Фучжун Чжан. Предоставлено: Вашингтонский университет в Сент-Луисе / Цзинъяо Ли.

Чем длиннее белок, тем прочнее и жестче получается волокно. Белки с 128 повторами привели к получению волокна с гигапаскальной прочностью (мера силы, необходимой для разрыва волокна фиксированного диаметра), которое прочнее обычной стали. Прочность волокон (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 натуральных волокон паучьего шелка.

В сотрудничестве с Юн-Шин Джун, профессором факультета энергетики, окружающей среды и химической инженерии, и ее доктором философии. Студент Ягуанг Чжу, команда подтвердила, что высокие механические свойства полимерных амилоидных волокон действительно происходят из-за повышенного количества β-нанокристаллов.

Эти новые белки и полученные волокна – это еще не конец истории создания высокоэффективных синтетических волокон в лаборатории Zhang. Они только начинают. «Это демонстрирует, что мы можем разработать биологию для производства материалов, превосходящих лучшие материалы в природе», – сказал Чжан.