Jedwab pajęczy jest po raz pierwszy przędzony przez genetycznie zmodyfikowane jedwabniki

Chińskim naukowcom udało się wyprodukować jedwab pajęczy z genetycznie zmodyfikowanych jedwabników, uzyskując włókno znacznie mocniejsze niż kevlar. Opublikowano w czasopiśmie TematTo przełomowe badanie przedstawia potencjalną przyjazną dla środowiska alternatywę dla komercyjnych włókien syntetycznych. Odkrycia mają szeroko zakrojone implikacje, począwszy od szwów chirurgicznych po innowacje w wojsku, lotnictwie i biomedycynie.

Naukowcy z Chin opracowali metodę produkcji jedwabiu pajęczego z genetycznie zmodyfikowanych jedwabników, zapewniając silną i zrównoważoną alternatywę dla włókien syntetycznych, znajdującą zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu.

Naukowcy stworzyli jedwab pajęczy z genetycznie zmodyfikowanych jedwabników, wytwarzając włókno sześciokrotnie mocniejsze niż włókno kevlarowe stosowane w kamizelkach kuloodpornych. Badanie opublikowano w czasopiśmie 20 września Tematjako pierwszy z sukcesem wyprodukował pełnowymiarowe białka jedwabiu pajęczego przy użyciu jedwabników. Wyniki pokazują technologię, którą można zastosować do produkcji przyjaznej dla środowiska alternatywy dla dostępnych na rynku włókien syntetycznych, takich jak nylon.

„Jedwabnik jest obecnie jedynym włóknem jedwabiu zwierzęcego, które jest szeroko komercjalizowane przy użyciu uznanych technik hodowli” – stwierdziła Mei. „Dlatego wykorzystanie genetycznie zmodyfikowanych jedwabników do produkcji włókien jedwabiu pajęczego umożliwia komercjalizację na dużą skalę przy niskich kosztach”.

Zdjęcie jedwabiu z wymuszonym wałkiem. Źródło: Junpeng Mei

Zrównoważony rozwój jedwabiu pajęczego

Naukowcy postrzegają jedwab pajęczy jako atrakcyjną, zrównoważoną alternatywę dla włókien syntetycznych, które mogą uwalniać do środowiska szkodliwe mikrodrobiny plastiku i często są produkowane z paliw kopalnych powodujących emisję gazów cieplarnianych. Jednak zwracanie się do natury w poszukiwaniu alternatyw nie jest pozbawione wyzwań. Opracowane wcześniej procesy przędzenia syntetycznego jedwabiu pajęczego utrudniały nałożenie na jedwab powierzchniowej warstwy glikoprotein i lipidów, aby pomóc mu wytrzymać wilgoć i ekspozycję na światło słoneczne – czyli przeciwstarzeniową „warstwę skóry”, którą pająki nakładają na swoje sieci.

Mee twierdzi, że genetycznie zmodyfikowane jedwabniki oferują rozwiązanie tego problemu, ponieważ jedwabniki pokrywają swoje włókna podobną warstwą ochronną.

„Jedwab pajęczy stanowi zasób strategiczny, który pilnie wymaga zbadania” – powiedział Junping Mei, doktorant w Szkole Nauk Biologicznych i Inżynierii Medycznej Uniwersytetu Donghua oraz pierwszy autor badania. „Wyjątkowo wysoka wydajność mechaniczna włókien wytworzonych w tym badaniu jest bardzo obiecująca w tej dziedzinie. Ten rodzaj włókien może być stosowany jako szwy chirurgiczne, aby sprostać światowemu zapotrzebowaniu przekraczającemu 300 milionów zabiegów chirurgicznych rocznie.

Mei twierdzi, że włókna jedwabiu pajęczego można również wykorzystać do produkcji wygodniejszej odzieży i innowacyjnych typów kamizelek kuloodpornych. Mogą mieć także zastosowanie w inteligentnych materiałach, wojsku, technologii lotniczej i inżynierii biomedycznej.

Włókno jedwabiu produkowane przez genetycznie modyfikowane jedwabniki. Źródło: Junpeng Mei

Proces syntezy i wyzwania

Aby wyhodować jedwab pajęczy z jedwabników, Mei i jego zespół wprowadzili do komórki geny białka jedwabiu pajęczego DNA Od jedwabników ulegających ekspresji w gruczołach przy użyciu kombinacji technologii edycji genów CRISPR-Cas9 i setek tysięcy mikroiniekcji do zapłodnionych jaj jedwabników. Mei stwierdziła, że ​​ICSI stanowi „jedno z najważniejszych wyzwań” w badaniu, ale kiedy zobaczył pod mikroskopem fluorescencyjnym, że oczy jedwabników świecą na czerwono – co jest oznaką udanej edycji genów – był zachwycony.

„Tańcząc i praktycznie pobiegłam do biura profesor Meng Qing, aby podzielić się tym wynikiem” – powiedziała Mei. „Pamiętam tę noc wyraźnie, tę ekscytację, która nie pozwalała mi zasnąć”.

Naukowcy musieli także dokonać modyfikacji „lokalnych” w genetycznie zmodyfikowanych białkach jedwabiu pajęczego, tak aby prawidłowo wchodziły w interakcję z białkami w gruczołach jedwabników, zapewniając prawidłowe przędzenie włókien. Aby przeprowadzić modyfikacje, zespół opracował „miniaturowy podstawowy model strukturalny” jedwabiu jedwabnika.

„Koncepcja «lokalizacji» wprowadzona w tej pracy, wraz z zaproponowanym prostym modelem strukturalnym, stanowi znaczące odejście od wcześniejszych badań” – mówi Mee. „Jesteśmy przekonani, że komercjalizacja na dużą skalę jest już na horyzoncie”.

perspektywy na przyszłość

W przyszłości Mei planuje wykorzystać wiedzę na temat trwałości i wytrzymałości włókien jedwabiu pajęczego uzyskaną w bieżącym badaniu do opracowania genetycznie zmodyfikowanych jedwabników wytwarzających włókna jedwabiu pajęczego z materiałów naturalnych i inżynieryjnych. Aminokwasy.

„Wprowadzenie ponad stu zmodyfikowanych aminokwasów kryje w sobie nieograniczony potencjał inżynierii włókien jedwabiu pajęczego” – mówi Mei.

Odniesienie: „Wysoko wytrzymałe i niezwykle wytrzymałe całe włókno jedwabiu pajęczego przędzone z genetycznie zmodyfikowanego jedwabnika” autorstwa Junpeng Mi, Yizhong Zhou, Sanyuan Ma, Xingping Zhou, Shouying Xu, Yuchen Yang, Yuan Sun, Qingyou Xia, Hongnian Zhu, Suyang Wang , Luoyang Tian i Cheng Meng, 20 września 2023 r., Temat.
doi: 10.1016/j.matt.2023.08.013

Prace te były wspierane przez Chińską Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych, Kluczowe Projekty Miejskiej Komisji Nauki i Technologii w Szanghaju, Projekty Współpracy Międzynarodowej Miejskiej Komisji Nauki i Technologii w Szanghaju oraz Fundusze Badań Podstawowych dla Uniwersytetów Centralnych.