211service.com
Tillverkning av spindelstyrka material
Forskare har försökt göra konstgjord spindelsilke – ett lättviktigt, segare än stålmaterial som kan ha otaliga industriella tillämpningar – i decennier. I ett viktigt steg mot det målet har forskare vid Tufts University skapat genetiskt modifierade mikrober som producerar mer av de proteiner som behövs för att göra spindelsilke än någonsin tidigare.
Mikrobsilke: Denna fiber är gjord av högkvalitativa spindelsilkeproteiner som produceras av genetiskt modifierade bakterier.
Dragline-silke – den typ som spindlar använder för fälgar och ekrar på sina nät – är segare och mycket lättare än stål. Konstruerade bakterier kan producera de proteiner som behövs för att syntetisera detta silke, som spins ihop för att göra fibrer. Men tidigare ansträngningar att göra spindelsilke med hjälp av bakterier har hamstrat av flera skäl. För det första har forskare haft en ofullständig bild av dragline silk-gensekvensen. Och för det andra har de haft begränsad framgång med att modifiera bakterierna för att producera tillräckligt med proteiner.
David Kaplan , ordförande för den biomedicinska ingenjörsavdelningen vid Tufts University, har banat väg för tillämpningen av silkesilke i medicinsk utrustning, biologiskt nedbrytbar elektronik, optiska apparater och lim. Han tror att spindelsilke, som är starkare än silkesmasksorten, kan öppna upp för nya applikationer, men säger att det inte har utforskats så mycket eftersom vi inte har haft tillräckligt med material. Spindlar är aggressiva och territoriella och kan därför inte odlas som silkesmaskar.
Bioingenjörer har bara haft blygsamma framgångar med att få mikrober att tillverka spindelsilkeproteiner. Kemisk jätte DuPont försökte utan framgång utveckla en bakterieproducerad sidenprodukt på 1990-talet. En del av problemet är att spindelsilke är tillverkat av ett mycket stort protein med en mycket repetitiv genetisk sekvens, vilket gör det svårt att avkoda, säger Christopher Voigt , professor i farmaceutisk kemi vid University of California, San Francisco.
Förra året producerade forskare som använder ny sekvenseringsteknik den första kompletta genetiska sekvensen för spindelsilke. Innan dess var forskare tvungna att använda trunkerade sidengener, och fibrer gjorda med dessa gener var inte lika starka och sega som naturligt silke.
Även med den fulla dragline-silkesgensekvensen är det en utmaning att producera konstsilke. Att göra tillräckligt med proteinet kräver en större mängd utgångsmaterial än vad bakterierna naturligt innehåller. I samarbete med forskare vid Korea Advanced Institute of Science and Technology i Daejeon och Seoul National University lade Kaplan till hela sidengenen till E coli och ändrade sedan bakteriens proteintillverkningsväg så att den tillverkar tillräckliga mängder av de aminosyror som behövs för att möjliggöra silkesproduktion. Tidigare har manipulerade bakterier bara kunnat producera tiotals milligram av proteinet per liter. Kaplans E coli ger ett till två gram per liter.
Det har de tydligt visat E coli kan göra dessa stora proteiner, och konstruerade dem för att ha resurserna för att göra det, säger Randy Lewis , professor i molekylärbiologi vid University of Wyoming. Lewis förutspår att det kommer att vara möjligt att använda ett bakteriesystem för att producera kilogram kvantiteter av artificiellt spindelsilke inom några år.
Kaplan säger att det är hans plan. Vi skulle vilja göra det till en kontinuerlig produktionsprocess, säger han.
Kaplan säger att det som behövs nu är mer energieffektiva metoder för att göra proteinerna till fibrer. Genom att använda spinningmetoder liknande de som används för att tillverka polymerfibrer som polyester, har hans grupp skapat fibrer från lagets proteiner med egenskaper som är jämförbara med naturligt draglinesilke när det gäller styrka, elasticitet och seghet. Men eftersom spindelsilkeproteiner är petiga och olösliga i vatten, kräver spinning av dem till fibrer högtemperaturbearbetning och starka lösningsmedel.
Fibrerna tar enormt mycket energi att sätta ihop, säger Kaplan. Materialforskare skulle vilja göra silkesfibrer på det sätt som spindlar gör: vid omgivande temperaturer, utan hårda lösningsmedel.
Ett nytt förhållningssätt till problemet eftersträvas av Luke Lee , chef för centret för molekylär nanoteknologi vid University of California, Berkeley. Han designar spinningsystem som innehåller mikrofluidkanaler utformade för att tillhandahålla salt- och lösningsmedelsgradienter som finns i spindelkörtlar. Ett företag ringde Refaktorerade material , grundat av studenter från Lees och Voigts, arbetar också med spinningproblemet.