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比钢铁更坚固!科学家利用基因工程,让细菌生产出最强韧的新型纤维材料

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前瞻网 2021-07-21 15:46

看似柔弱的蜘蛛丝,是地球上最坚韧的材料之一。现在,圣路易斯华盛顿大学的工程师们设计了淀粉样丝杂交蛋白,并用工程细菌生产它们,之后形成了一种天然的蜘蛛丝更坚韧的纤维。

这种人造丝——被称为“聚合淀粉样”纤维——由麦凯维工程学院能源、环境与化学工程系教授Fuzhong Zhang的实验室通过基因工程细菌制造的。

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2018年,他的实验室改造了一种重组蜘蛛丝,使其在所有重要机械性能上都能与天然蜘蛛丝媲美。之后他们想知道,是否能利用这些合成生物平台,创造出比蜘蛛丝性能更优异的材料。

重组蛛丝纤维的一个问题是,无需对天然蛛丝的序列进行重大修改,就需要制造出β-纳米晶体。β-纳米晶体是天然蛛丝的主要成分,有助于增强蛛丝的强度。

为了解决这个问题,研究小组通过引入淀粉样蛋白序列重新设计了蚕丝序列,淀粉样蛋白序列具有形成β-纳米晶体的显著趋势。

他们用三种已被充分研究过的淀粉样蛋白序列作为代表,创造了不同的聚合淀粉样蛋白。由此产生的蛋白质比蜘蛛丝具有更少的重复氨基酸序列,这使得它们更容易被工程细菌生产出来。

最终,该细菌产生了一种含有128个重复单位的杂交聚合淀粉样蛋白。用相似重复单位重组蛛丝蛋白,此前被证明是困难的。

蛋白质越长,产生的纤维就越坚韧。这些重复128次的蛋白质产生了一种比普通钢更强的十亿帕强度(一种测量破坏固定直径的纤维所需要的力的方法)的纤维。这种纤维的韧性(衡量断裂一根纤维需要多少能量的指标)比凯夫拉尔纤维和之前所有的重组丝纤维都要高。它的强度和韧性甚至比一些报道的天然蜘蛛丝纤维还要高。

他们的研究发表在《ACS Nano》杂志上,题为“ Microbially Synthesized Polymeric Amyloid Fiber Promotes β-Nanocrystal Formation and Displays Gigapascal Tensile Strength”。

译/前瞻经济学人APP资讯组

参考来源:https://www.sciencedaily.com/releases/2021/07/210720185821.htm

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