Spinzijde wordt beschouwd als een van de sterkste, zwaarste materialen op aarde. Nu hebben ingenieurs van de Washington University in St. Louis amyloïde zijdehybride-eiwitten ontworpen en geproduceerd in gemanipuleerde bacteriën. De resulterende vezels zijn sterker en taaier dan sommige natuurlijke spinnenzijden.

Hun onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano.

Precies zijn, de kunstzijde - ook wel "polymere amyloïde" vezel genoemd - werd technisch niet geproduceerd door onderzoekers, maar door bacteriën die genetisch gemanipuleerd zijn in het laboratorium van Fuzhong Zhang, een professor in de afdeling Energie, Milieu- en chemische technologie aan de McKelvey School of Engineering.

Zhang heeft eerder met spinnenzijde gewerkt. in 2018, zijn laboratorium ontwikkelde bacteriën die een recombinante spinzijde produceerden met prestaties die vergelijkbaar waren met zijn natuurlijke tegenhangers in alle belangrijke mechanische eigenschappen.

"Na ons eerdere werk, Ik vroeg me af of we iets beters dan spinnenzijde konden maken met ons synthetische biologieplatform, ' zei Zhang.

Het onderzoeksteam, waaronder eerste auteur Jingyao Li, een doctoraat student in het laboratorium van Zhang, wijzigde de aminozuurvolgorde van spinnenzijde-eiwitten om nieuwe eigenschappen te introduceren, met behoud van enkele van de aantrekkelijke eigenschappen van spinrag.

Een probleem in verband met recombinante spinzijdevezels - zonder significante wijziging van de natuurlijke spinzijdesequentie - is de noodzaak om β-nanokristallen te creëren, een hoofdbestanddeel van natuurlijk spinrag, wat bijdraagt ​​aan zijn kracht. "Spinnen hebben ontdekt hoe ze vezels kunnen spinnen met een gewenste hoeveelheid nanokristallen, "Zei Zhang. "Maar wanneer mensen kunstmatige spinprocessen gebruiken, de hoeveelheid nanokristallen in een synthetische zijdevezel is vaak lager dan zijn natuurlijke tegenhanger."

Om dit probleem op te lossen, het team heeft de zijde-sequentie opnieuw ontworpen door amyloïde-sequenties te introduceren die een hoge neiging hebben om β-nanokristallen te vormen. Ze creëerden verschillende polymere amyloïde-eiwitten met behulp van drie goed bestudeerde amyloïde-sequenties als vertegenwoordigers. De resulterende eiwitten hadden minder repetitieve aminozuursequenties dan spinnenzijde, waardoor ze gemakkelijker kunnen worden geproduceerd door gemanipuleerde bacteriën. uiteindelijk, de bacteriën produceerden een hybride polymeer amyloïde eiwit met 128 herhalende eenheden. Recombinante expressie van spinzijde-eiwit met vergelijkbare herhalende eenheden is moeilijk gebleken.

Hoe langer het eiwit, hoe sterker en taaier de resulterende vezel. De 128 herhalende eiwitten resulteerden in een vezel met gigapascal-sterkte (een maat voor hoeveel kracht nodig is om een ​​vezel met een vaste diameter te breken), die sterker is dan gewoon staal. De taaiheid van de vezels (een maat voor hoeveel energie nodig is om een ​​vezel te breken) is hoger dan die van Kevlar en alle eerdere recombinante zijdevezels. De sterkte en taaiheid zijn zelfs hoger dan sommige gerapporteerde natuurlijke spinzijdevezels.

In samenwerking met Young-Shin Jun, hoogleraar bij de afdeling Energie, Milieu &Chemische Technologie, en haar Ph.D. student Yaguang Zhu, het team bevestigde dat de hoge mechanische eigenschappen van de polymere amyloïde vezels inderdaad afkomstig zijn van de verhoogde hoeveelheid β-nanokristallen.

Deze nieuwe eiwitten en de resulterende vezels zijn niet het einde van het verhaal voor hoogwaardige synthetische vezels in het Zhang-lab. Ze beginnen net. "Dit toont aan dat we biologie kunnen ontwikkelen om materialen te produceren die beter zijn dan het beste materiaal in de natuur, ' zei Zhang.