De natuur heeft op eiwitten gebaseerde stoffen ontwikkeld met mechanische eigenschappen die zelfs de beste synthetische materialen evenaren. Bijvoorbeeld, pond voor pond, spinzijde is sterker en taaier dan staal. Maar in tegenstelling tot staal, de natuurlijke vezel kan niet in massa worden geproduceerd. Vandaag, wetenschappers rapporteren een nieuwe methode die gebruikmaakt van gemanipuleerde bacteriën om spinnenzijde en andere moeilijk te maken eiwitten te produceren die nuttig kunnen zijn tijdens toekomstige ruimtemissies.

De onderzoekers zullen hun resultaten vandaag presenteren op de American Chemical Society (ACS) Spring 2019 National Meeting &Exposition.

"In de natuur, er zijn veel op eiwitten gebaseerde materialen met verbazingwekkende mechanische eigenschappen, maar de aanvoer van deze materialen is vaak beperkt, " zegt Fuzhong Zhang, doctoraat, hoofdonderzoeker van het project. "Mijn lab is geïnteresseerd in het ontwerpen van microben, zodat we niet alleen deze materialen kunnen produceren, maar maak ze nog beter."

Indien geproduceerd in voldoende hoeveelheden, spinzijde kan voor verschillende toepassingen worden gebruikt, variërend van kogelvrij weefsel tot chirurgische hechtingen. Maar spinnenzijde is niet gemakkelijk te kweken - spinnen produceren kleine hoeveelheden, en sommige soorten worden kannibalistisch als ze in groepen worden gehouden. Daarom, wetenschappers hebben technische bacteriën geprobeerd, gist, planten en zelfs geiten om spinnenzijde te produceren, maar ze zijn er nog niet in geslaagd om de mechanische eigenschappen van de natuurlijke vezel volledig te repliceren.

Een deel van het probleem is dat spinnenzijde-eiwitten worden gecodeerd door zeer lange, zeer repetitieve sequenties van DNA. Spinnen hebben manieren ontwikkeld om deze sequenties in hun genoom te houden. Maar wanneer wetenschappers dit type DNA in andere organismen stoppen, de genen zijn erg instabiel, vaak geknipt of anderszins veranderd door de cellulaire machinerie van de gastheer. Zhang en collega's van de Washington University in St. Louis vroegen zich af of ze de lange, repetitieve sequenties in kortere blokken die bacteriën aankunnen en tot eiwitten kunnen maken. Vervolgens, de onderzoekers konden de kortere eiwitten samenvoegen tot de langere spinzijdevezel.

Het team introduceerde genen bij bacteriën die codeerden voor twee stukken van het spinzijde-eiwit, elk geflankeerd door een reeks die een gespleten inteïne wordt genoemd. Gesplitste inteïnes zijn natuurlijk voorkomende eiwitsequenties met enzymatische activiteit:twee gesplitste inteïnes op verschillende eiwitfragmenten kunnen samenkomen en zichzelf vervolgens uitsnijden om een ​​intact eiwit op te leveren. Na de introductie van de genen, de onderzoekers braken de bacteriën open en zuiverden de korte stukjes spinnenzijde-eiwit. Door de fragmenten te mengen, werden ze samengevoegd door de "lijm" van de gesplitste inteïne-reeks, die zichzelf vervolgens uitsnijdt om het eiwit van volledige lengte op te leveren. Wanneer gesponnen tot vezels, de microbieel geproduceerde spinzijde had alle eigenschappen van natuurlijke spinzijde, inclusief uitzonderlijke kracht, taaiheid en rekbaarheid. De onderzoekers haalden met deze methode meer zijde dan ze konden van spinnen (wel twee gram zijde per liter bacteriecultuur), en ze proberen momenteel de opbrengst nog meer te verhogen.

De onderzoekers kunnen verschillende repetitieve eiwitten maken door simpelweg het spinzijde-DNA uit te wisselen en andere sequenties in bacteriën te plaatsen. Bijvoorbeeld, de onderzoekers gebruikten de techniek om van mosselen een eiwit te maken dat sterk hecht aan oppervlakken. Het eiwit zou ooit als onderwaterkleefstof kunnen worden toegepast. Nutsvoorzieningen, de onderzoekers werken aan het stroomlijnen van het proces, zodat de eiwit-verbindingsreactie kan plaatsvinden in bacteriële cellen. Dit zou de efficiëntie en mogelijke automatisering van het systeem verbeteren, omdat onderzoekers de twee stukjes eiwit niet hoeven te zuiveren en ze vervolgens samen te incuberen.

Naast toepassingen hier op aarde, het bacteriële eiwitproductiesysteem kan nuttig zijn tijdens ruimtemissies, Zhang notities. "NASA is een van onze financiers, en ze zijn geïnteresseerd in bioproductie, " zegt hij. "Ze ontwikkelen momenteel technologieën waarmee ze koolstofdioxide kunnen omzetten in koolhydraten die kunnen worden gebruikt als voedsel voor de microben die we ontwikkelen. Op die manier, astronauten zouden deze op eiwitten gebaseerde materialen in de ruimte kunnen produceren zonder een grote hoeveelheid grondstoffen mee te nemen."