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细菌可将蛋白质合成为性能更优异的生物蛛丝

发布时间:2018-08-22 22:07:54
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  在科学研究领域,仿生相对属于一种创新的捷径。但与天然的蛛丝相比,实验室合成的效果普遍不太理想。好消息是,华盛顿大学圣路易斯分校的研究人员,刚刚找到了新的方法 —— 借助细菌的力量,将大号的蛋白质,转变为多项关键性能不逊于天然产物的合成蛛丝。已知的是,蛛丝比在强度媲美钢铁的同时、韧性又优于凯夫拉(Kevlar),属于自然界中最令人印象深刻的材料之一。

  它从更大的蛋白质中分离出来,与天然物质相比,其多项关键指标并不逊色。

  该校工程与应用科学学院研究团队,在 8 月 20 号发表在《生物大分子学》杂志上的文章中表示:

蜘蛛丝的拉伸强度和韧性,预期分子量保持正相关 —— 分子越大、则蛛丝越强。但在合成领域,前一个记录保持者的重量,几乎是天然蛛丝的两倍。

  即便如此,有关合成蛛丝的研究,还远未达到能够支撑其大规模应用的地步。有人想过养殖蜘蛛,甚至通过生物技术,将蛛丝基因拼接到其它生物上,但产能依然是个问题。

在这项新研究中,团队的重心已不是改造细菌,而是试图提升合成蛛丝在分子水平上的性能。

其关键在于怎么融合蛋白质,该过程由特定的 DNA 序列推动,序列重复的次数越多、蛋白质就越大、所得的合成蛛丝也就越强。

  新型生物合成蛛丝的显微镜图像

  尽管听起来很简单,但团队必须克服的第一个障碍,就是细菌无法处理过大的序列、并将之切分成小块。

为了解决这个问题,研究人员在 DNA 中添加了一个新的短序列。它会触发蛋白质之间的化学反应,让它们融合形成更大的蛋白质。

  最终,他们打造出了测量值为 556 千道尔顿(kDa / 原子测量单位)的丝蛋白链。这较通普通天然丝蛋白的 370 kDa 更长,几乎是其它生物合成蛛丝蛋白的两倍(最大 285 kDa 左右)。

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  研究配图

  为测试材料性能,研究团队后续将这些较大的蛋白质纺成了纤维,直径约为人类头发丝的 1 / 10 。

结果发现,新材料在拉伸强度、韧性、延展性、抗变形性等方面,都可与天然蛛丝相媲美。

  有关这项研究的详情,已经发表在近日出版的《生物大分子学》(Biomacromolecules)期刊上。原标题为:

《Recombinant Spidroins Fully Replicate Primary Mechanical Properties of Natural Spider Silk》

  编译自:New Atlas , 来源:Washington University in St. Louis

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