蜘蛛丝的拉伸强度和韧性与其分子量保持着正相

日期:2020-02-04编辑作者:产品新闻

蜘蛛丝是自然界最强韧的材料之一,和一些钢铁合金一样坚韧,韧性甚至比防弹Kevlar纤维还要强。蜘蛛丝无与伦比的强度和韧性的结合使这种蛋白质类的材料从超薄手术缝合线到防弹服装的许多应用领域都非常理想。不幸的是,由于蜘蛛的领土性和食人性,它们的丝已经不可能会大规模生产,所以实际应用尚未实现。

在科学研究领域,仿生相对属于一种创新的捷径。但与天然的蛛丝相比,实验室合成的效果普遍不太理想。好消息是,华盛顿大学圣路易斯分校的研究人员,刚刚找到了新的方法 —— 借助细菌的力量,将大号的蛋白质,转变为多项关键性能不逊于天然产物的合成蛛丝。已知的是,蛛丝比在强度媲美钢铁的同时、韧性又优于凯夫拉,属于自然界中最令人印象深刻的材料之一。

科学家们已经能够创造出某些形式的合成蜘蛛丝,但是已经无法设计出包括大部分天然丝特性的材料。

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时至当今,华盛顿大学-圣路易斯工程与应用科学学院的研究人员设计了一种能产生生物合成蛛丝的细菌,合成的蛛丝在所有的重要测试中都能与天然的天然丝相媲美。并且他们发现了一些令人兴奋的可能性存在。

它从更大的蛋白质中分离出来,与天然物质相比,其多项关键指标并不逊色。

这项发表在8月20日星期一的“Biomacromolecules”《生物大分子》杂志上的最新研究显示,蜘蛛丝的拉伸强度和韧性与其分子量保持着正相关(分子质量越大,丝拉伸强度越强),即使是人造丝,质量也是之前记录保持的两倍。

该校工程与应用科学学院研究团队,在 8 月 20 号发表在《生物大分子学》杂志上的文章中表示:蜘蛛丝的拉伸强度和韧性,预期分子量保持正相关 —— 分子越大、则蛛丝越强。但在合成领域,前一个记录保持者的重量,几乎是天然蛛丝的两倍。

工程与应用科学学院的副教授Fuzhong Zhang说:“人们已知只有小尺寸的蛋白质,才会有这种相关性,但我们发现,即使在大的尺寸下,拉伸强度和韧性与其分子量仍然具有很好的相关性。”

即便如此,有关合成蛛丝的研究,还远未达到能够支撑其大规模应用的地步。有人想过养殖蜘蛛,甚至通过生物技术,将蛛丝基因拼接到其它生物上,但产能依然是个问题。

制造生物合成蜘蛛丝最大的历史挑战之一是制造出足够大的蛋白质。挑战是如此的巨大,事实上,它需要一种全新的方法。

在这项新研究中,团队的重心已不是改造细菌,而是试图提升合成蛛丝在分子水平上的性能。

“我们从其他人的做法开始,制作一个重复的基因序列,”张的实验室博士生Christopher Bowen说。DNA序列是根据生产丝蛋白蜘蛛的DNA序列建模的。理论上,序列重复的越多,得到的蛋白质就越大。

其关键在于怎么融合蛋白质,该过程由特定的 DNA 序列推动,序列重复的次数越多、蛋白质就越大、所得的合成蛛丝也就越强。

然而,当DNA序列达到一定大小后,“细菌无法处理它,他们把序列切成更小的片段”,Bowen说。这是一个在以前的工作中已经遇到过的问题。为了绕过这个长期存在的障碍,Bowen和他的合作者向丝DNA中添加了一个短的基因序列,该基因序列促进产生蛋白质之间的化学反应,将它们融合在一起,形成一个甚至更大的蛋白质,比之前生产和纯化过的任何时候的蛋白质都要大。

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Bowen说:“我们制造的蛋白质基本上是以前其他人所能够制造的两倍。”它们的丝蛋白链为556 kDa,以前,生物合成蜘蛛丝蛋白最大的是285 kDa。即使是天然的牵引丝蛋白也大约只有370 kDa,尽管含有一些大的离群点。

新型生物合成蛛丝的显微镜图像

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