一個工程師團隊發(fā)現(xiàn)了一種利用貽貝腳蛋白生產(chǎn)合成蜘蛛絲的技術(shù)，產(chǎn)量高，同時保持其強度和韌性。長期以來，蜘蛛絲的非凡特性一直吸引著科學(xué)家們，因為它擁有超過鋼鐵的強度，但又保持輕盈和靈活。圣路易斯華盛頓大學(xué)McKelvey工程學(xué)院的能源、環(huán)境和化學(xué)工程教授Fuzhong Zhang在創(chuàng)造合成蜘蛛絲方面取得了重大進展，為新時代的可持續(xù)服裝生產(chǎn)打開了大門。
自從他在2018年利用細菌設(shè)計出重組蜘蛛絲以來，Zhang一直專注于提高來自微生物的絲線的產(chǎn)量，同時保留其理想的特性，如增加強度和耐久性。
如果合成絲要用于日常應(yīng)用，更高的產(chǎn)量將是至關(guān)重要的，特別是在時尚界，可再生材料的需求量很大，以阻止每年生產(chǎn)約1000億件服裝和9200萬噸廢物所帶來的環(huán)境影響。
在一種工程化的貽貝腳蛋白的幫助下，Zhang創(chuàng)造了新的蜘蛛絲融合蛋白，稱為雙末端Mfp融合絲(btMSIlks)。微生物生產(chǎn)的btMSilks的產(chǎn)量比重組絲蛋白高8倍，而且btMSilk纖維的強度和韌性大幅提高，同時重量很輕。這可能會徹底改變服裝制造，為傳統(tǒng)紡織品提供一個更環(huán)保的替代品。這些發(fā)現(xiàn)最近發(fā)表在《自然通訊》雜志上。
天然蜘蛛絲出色的機械性能來自于其非常大的重復(fù)性蛋白質(zhì)序列。然而，要求快速生長的細菌產(chǎn)生大量的重復(fù)性蛋白質(zhì)是極具挑戰(zhàn)性的。
“為了解決這個問題，我們需要一種不同的策略，”Zhang說，“我們?nèi)ふ覠o序的蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)可以通過基因融合到蠶絲碎片上，以促進分子間的相互作用，這樣就可以在不使用大型重復(fù)性蛋白質(zhì)的情況下制造出強大的纖維。而我們實際上就在這里，在我們已經(jīng)進行的關(guān)于貽貝腳蛋白的工作中發(fā)現(xiàn)了它們。”
貽貝在它們的腳上分泌這些專門的蛋白質(zhì)來粘住東西。Zhang和他的合作者已經(jīng)設(shè)計了細菌來生產(chǎn)它們，并將它們作為生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的黏合劑。事實證明，貽貝的腳蛋白也是有內(nèi)聚力的，這使得它們也能很好地相互粘連。通過將貽貝腳蛋白片段置于其合成絲蛋白序列的末端，研究人員創(chuàng)造了一種重復(fù)性較低的輕質(zhì)材料，其強度至少是重組蜘蛛絲的兩倍。
與過去的研究相比，新材料產(chǎn)量增加了8倍，從1升細菌培養(yǎng)物中達到8克纖維材料。這一產(chǎn)量構(gòu)成了足夠的織物，可以測試在實際產(chǎn)品中使用。
Zhang表示：“合成生物學(xué)的魅力在于，我們有很多空間可以探索，我們可以從各種天然蛋白質(zhì)中剪切和粘貼序列，在實驗室中測試這些設(shè)計的新特性和功能。這使得合成生物學(xué)材料比傳統(tǒng)的石油基材料更具有多樣性。由于我們的合成絲是用工程細菌的廉價原料制成的，它為尼龍和聚酯等石油來源的纖維材料提供了一種可再生和可生物降解的替代品。”
在接下來的工作中，Zhang和他的團隊將擴大其合成絲纖維的可調(diào)控特性，以滿足每個專業(yè)市場的確切需求。
