Zirnekļizturīgu materiālu izgatavošana

Pētnieki jau vairākus gadu desmitus ir mēģinājuši izveidot mākslīgo zirnekļa zīdu — ​​vieglu, izturīgāku par tēraudu materiālu, kam varētu būt neskaitāmi rūpnieciski pielietojumi. Svarīgs solis ceļā uz šo mērķi Tufta universitātes pētnieki ir radījuši ģenētiski modificētus mikrobus, kas ražo vairāk zirnekļa zīda ražošanai nepieciešamo proteīnu nekā jebkad agrāk.

Mikrobu zīds: Šī šķiedra ir izgatavota no augstas kvalitātes zirnekļa zīda proteīniem, ko ražo ģenētiski modificētas baktērijas.

Dragline zīds, ko zirnekļi izmanto savu tīklu lokiem un spieķiem, ir izturīgāks un daudz vieglāks nekā tērauds. Inženierijas baktērijas var ražot proteīnus, kas nepieciešami šī zīda sintezēšanai, kas tiek savērpta kopā, lai izveidotu šķiedras. Tomēr iepriekšējie mēģinājumi izgatavot zirnekļa zīdu, izmantojot baktērijas, ir bijuši traucēti vairāku iemeslu dēļ. Pirmkārt, pētniekiem ir bijis nepilnīgs priekšstats par dragline zīda gēnu secību. Otrkārt, viņiem ir bijuši ierobežoti panākumi baktēriju modificēšanā, lai ražotu pietiekami daudz olbaltumvielu.

Deivids Kaplans , Tuftas universitātes Biomedicīnas inženierijas nodaļas vadītājs, ir bijis pionieris zīdtārpiņu zīda pielietošanā medicīnas ierīcēs, bioloģiski noārdāmā elektronikā, optiskajās ierīcēs un līmēs. Viņš uzskata, ka zirnekļa zīds, kas ir stiprāks par zīdtārpiņu šķirni, varētu pavērt jaunas pielietojuma iespējas, taču saka: tas nav tik daudz izpētīts, jo mums nav bijis pietiekami daudz materiāla. Zirnekļi ir agresīvi un teritoriāli, tāpēc tos nevar audzēt kā zīdtārpiņus.

Bioinženieriem ir bijuši tikai pieticīgi panākumi, liekot mikrobiem iegūt zirnekļa zīda proteīnus. Ķīmiskais gigants DuPont 90. gados nesekmīgi mēģināja izstrādāt baktēriju ražotu zīda izstrādājumu. Daļa no problēmas ir tā, ka zirnekļa zīds ir izgatavots no ļoti liela proteīna ar ļoti atkārtotu ģenētisko secību, tāpēc to ir grūti atšifrēt, saka. Kristofers Foigts , farmācijas ķīmijas profesors Kalifornijas Universitātē, Sanfrancisko.

Pagājušajā gadā pētnieki, izmantojot jaunas sekvencēšanas tehnoloģijas, izveidoja pirmo pilnīgo ģenētisko secību zirnekļa zīdam. Pirms tam pētnieki bija spiesti izmantot saīsinātus zīda gēnus, un šķiedras, kas izgatavotas, izmantojot šos gēnus, nebija tik spēcīgas un izturīgas kā dabiskais zīds.

Pat ar pilnu dragline zīda gēnu secību mākslīgā zīda ražošana ir izaicinājums. Lai iegūtu pietiekami daudz olbaltumvielu, ir nepieciešams lielāks izejmateriāla daudzums, nekā baktērijas dabiski satur. Strādājot ar pētniekiem Korejas progresīvā zinātnes un tehnoloģiju institūtā Tedžonā un Seulas Nacionālajā universitātē, Kaplans pievienoja pilnu zīda gēnu. E. coli un pēc tam mainīja baktēriju proteīnu veidošanās ceļu, lai tā ražotu pietiekamu daudzumu aminoskābju, kas nepieciešamas zīda ražošanai. Iepriekš inženierijas baktērijas ir spējušas saražot tikai desmitiem miligramu proteīna uz litru. Kaplans E. coli raža no viena līdz diviem gramiem uz litru.

Viņi to ir skaidri parādījuši E. coli var izgatavot šīs lielās olbaltumvielas un izstrādāt tās, lai tām būtu resursi, lai to paveiktu, saka Rendijs Lūiss , Vaiomingas Universitātes molekulārās bioloģijas profesors. Lūiss prognozē, ka dažu gadu laikā būs iespējams izmantot baktēriju sistēmu, lai saražotu kilogramu daudzumu mākslīgā zirnekļa zīda.

Kaplans saka, ka tas ir viņa plāns. Mēs vēlētos to pārvērst par nepārtrauktu ražošanas procesu, viņš saka.

Kaplans saka, ka tagad ir vajadzīgas energoefektīvākas metodes proteīnu pārvēršanai šķiedrās. Izmantojot vērpšanas metodes, kas ir līdzīgas tām, ko izmanto polimēru šķiedru, piemēram, poliestera, ražošanai, viņa grupa ir radījusi šķiedras no komandas olbaltumvielām, kuru īpašības ir salīdzināmas ar dabīgo zīdu stiprības, elastības un stingrības ziņā. Tomēr, tā kā zirnekļa zīda proteīni ir smalki un ūdenī nešķīst, to savērpšanai šķiedrās ir nepieciešama apstrāde augstā temperatūrā un skarbi šķīdinātāji.

Šķiedru salikšanai ir nepieciešams milzīgs enerģijas daudzums, saka Kaplans. Materiālu zinātnieki vēlētos izgatavot zīda šķiedras tā, kā to dara zirnekļi: apkārtējās vides temperatūrā, bez skarbiem šķīdinātājiem.

Tiek īstenota jauna pieeja problēmai Lūks Lī , Molekulāro nanotehnoloģiju centra direktors Kalifornijas Universitātē Bērklijā. Viņš izstrādā vērpšanas sistēmas, kurās ir iekļauti mikrofluidiskie kanāli, kas paredzēti, lai nodrošinātu sāls un šķīdinātāja gradientus, kas atrodami zirnekļa dziedzeros. Zvanīja kompānija Pārstrādāti materiāli , ko dibināja Lee’s un Voigt’s studenti, arī strādā pie vērpšanas problēmas.

paslēpties