Паучий шелк, полученный с помощью генетически модифицированных шелкопрядов, в 6 раз прочнее кевлара
Ученые успешно синтезировали паучий шелк с помощью генетически модифицированных шелкопрядов, создав волокна, по прочности в шесть раз превосходящие кевлар - материал, широко используемый в пуленепробиваемых жилетах. В этой революционной работе впервые получены полноразмерные белки паучьего шелка с помощью тутового шелкопряда и представлена методика, которая может стать экологически чистой заменой распространенным синтетическим коммерческим волокнам, таким как нейлон.
Синтетические волокна, такие как нейлон, широко используются, однако они вызывают опасения с точки зрения экологии, поскольку способны выделять вредный микропластик, а их производство на основе ископаемого топлива приводит к выбросам парниковых газов. Поэтому ученые занялись изучением паучьего шелка как экологичной альтернативы, учитывая его исключительные механические свойства и потенциальное применение в различных областях, таких как медицинский шов, текстиль, военная, аэрокосмическая техника и биомедицинская инженерия.
Шелк тутового шелкопряда - единственное крупномасштабное коммерческое волокно из животного шелка с отработанными технологиями выращивания. Чжунпенг Ми, аспирант Колледжа биологических наук и медицинской инженерии Университета Донхуа, показывает, что использование генетически модифицированных шелкопрядов открывает возможности для недорогой и массовой коммерциализации паучьего шелка.
Эта альтернатива не только инновационна, но и решает постоянные проблемы синтеза паучьего шелка, такие как нанесение на него защитного "кожного слоя", позволяющего ему выдерживать влажность и воздействие солнечного света. Генетически модифицированный шелкопряд, имеющий подобный защитный слой на своих волокнах, преодолевает эту проблему, что делает его идеальным проводником для производства паучьего шелка.
Для достижения синтеза Ми и его коллеги интегрировали гены белков паучьего шелка в ДНК шелкопряда, обеспечив их экспрессию в его железах. В этом сложном процессе использовалась технология редактирования генов CRISPR-Cas9 и бесчисленные микроинъекции в оплодотворенные яйца шелкопряда, что Ми назвал одной из самых серьезных задач исследования.
Наблюдение красного свечения в глазах шелкопряда под флуоресцентным микроскопом свидетельствовало об успешном редактировании генов, что стало моментом триумфа и волнения для команды. Кроме того, "локализационные" модификации были крайне важны для совмещения трансгенных белков паутинного шелка с белками желез шелкопряда, что обеспечивало правильное прядение волокна.
Группа также предложила "минимальную модель базовой структуры" шелка тутового шелкопряда для проведения этих модификаций, что, по мнению Ми, является важным сдвигом по сравнению с предыдущими исследованиями.
Цзюньпэн Ми предполагает использовать результаты данного исследования для дальнейшего повышения жесткости и прочности волокон паучьего шелка путем создания генетически модифицированных шелкопрядов, способных производить волокна паучьего шелка как из натуральных, так и из модифицированных аминокислот.
Таким образом, появляется возможность создания более сотни аминокислот, что открывает огромный потенциал для разработки искусственных волокон паучьего шелка.
Ми уверен в возможности широкомасштабной коммерциализации этой инновации, обещая создать устойчивый и универсальный материал, способный произвести революцию в различных отраслях промышленности, предлагая различные решения - от более удобной одежды и современных пуленепробиваемых жилетов до медицинских швов, спрос на которые в мире превышает 300 млн. процедур в год.
Таким образом, данное новаторское исследование знаменует собой значительный скачок на пути к экологически чистому и устойчивому производству материалов, позволяя преодолеть экологические недостатки синтетических волокон. Оно открывает путь к широкому применению, затрагивая множество областей, и укрепляет потенциал биоинженерных продуктов в решении современных проблем.
С полным текстом исследования можно ознакомиться в журнале Matter.
