Biotechnologia.pl
łączymy wszystkie strony biobiznesu
Biosyntetyczny jedwab pajęczy
Biosyntetyczny jedwab pajęczy
Pajęczy jedwab to jeden z najmocniejszych i najwytrzymalszych materiałów obecnych w przyrodzie. Jest niemalże tak silny jak niektóre stopy stali o twardości nawet większej niż kuloodporny Kevlar. Nietuzinkowe połączenie wytrzymałości oraz mocy pajęczego jedwabiu sprawiło, że ten materiał na bazie białka jest pożądany do zastosowań na wielu płaszczyznach – począwszy od ultracienkich szwów chirurgicznych, aż po odzież kuloodporną. Niestety, ze względu na terytorialny i kanibalistyczny charakter pająków, wprowadzenie produkcji masowej jedwabiu było niemożliwe.

 

Naukowcy potrafili stworzyć pewne formy syntetycznego jedwabiu pajęczego, ale nie byli w stanie opracować materiału, obejmującego większość, o ile nie wszystkie cechy, które posiada jedwab naturalny. Aż do teraz. Naukowcy z Uniwersytetu Waszyngtońskiego zaprojektowali szczep bakterii, wytwarzający biosyntetyczny jedwab pajęczy z wydajnością odpowiadającą jego naturalnym wzorcom we wszystkich ważnych aspektach. Okazało się, że ich odkrycie jest bardzo obiecujące pod kątem prawdopodobnych właściwości.

Nowe badanie pokazuje, że ​​wytrzymałość na rozciąganie jedwabiu pajęczego pozostaje dodatnio skorelowana z jego masą cząsteczkową – im większa cząsteczka, tym silniejszy jedwab (nawet w syntetycznym jedwabiu o masie prawie dwa razy większej niż w poprzednim odnotowanym rekordzie). Korelacja ta była już wcześniej znana, ale tylko w kwestii białek o mniejszych rozmiarach. Naukowcy udowodnili, że nawet przy tak dużych rozmiarach wciąż istnieje bardzo dobra korelacja.

Jednym z największych wyzwań w historii projektowania biosyntetycznego jedwabiu pajęczego było stworzenie wystarczająco dużej ilości białka. Wyzwanie to było tak duże, że wymagało znalezienia zupełnie nowego sposobu. Badacze zaczęli od tego, co zrobili inni, mianowicie stworzyli genetycznie powtarzalną sekwencję. Sekwencję DNA modelowano na podstawie sekwencji obecnej u pająków odpowiedzialnej za tworzenie białka jedwabiu. Teoretycznie im więcej powtórzeń sekwencji, tym większe powstające białko.

Po tym jak sekwencja DNA osiągnęła pewien rozmiar, bakterie nie mogły sobie z nią poradzić, dlatego cięły ją na mniejsze części. Ten problem wystąpił wiele razy podczas poprzednich badań. W celu ominięcia tej przeszkody, zespół dodał krótką sekwencję genetyczną do DNA jedwabiu, która promuje reakcję chemiczną pomiędzy powstałymi białkami, łącząc je razem i tworząc przy tym jeszcze większe białko, znacznie większe niż kiedykolwiek wyprodukowano i oczyszczono.

Okazało się, że naukowcy zaprojektowali białka w zasadzie dwa razy większe niż ktokolwiek wcześniej. Łańcuchy z proteinami jedwabiu wynoszą 556 kDa. Wcześniej największe białko biosyntetycznego jedwabiu pajęczego wynosiło 285 kDa. Nawet naturalne proteiny jedwabiu mają około 370 kDa, aczkolwiek występują także wyjątki od reguły.

Następnie zespół przerobił swoje bardzo duże biosyntetyczne białka jedwabiu na włókna o średnicy 1/10 ludzkiego włosa i zbadał ich mechaniczne właściwości. Ten biosyntetyczny jedwab jest pierwszym, który odtwarza naturalny jedwab pajęczy pod względem wytrzymałości na rozciąganie (maksymalnego naprężenia potrzebnego do rozbicia włókna), twardości (całkowitej energii pochłanianej przez włókno przed rozbiciem) oraz innych parametrów mechanicznych, takich jak elastyczność i rozciągliwość.

Badacze dążą do zastąpienia niektórych z wielu syntetycznych włókien na bazie ropy naftowej stosowanych w przemyśle biosyntetycznymi włóknami jedwabiu. Chcą pracować nad skalą i ekonomicznością procesu, ułatwiając przy tym obsługę, zmniejszając ilość potrzebnych chemikaliów, a także zwiększając solidność i wydajność. Naukowcy planują rozszerzyć swoje badanie. Oprócz wytwarzania pierwszych biosyntetycznych włókien jedwabnych w celu pełnego odtworzenia działania naturalnego jedwabiu pajęczego, zespół sugeruje, że będzie pracować nad wytrzymałością tych włókien, a co za tym idzie – starać się wytworzyć jeszcze większe białka.

Źródła

Christopher H. Bowen, Bin Dai, Cameron J. Sargent, Wenqin Bai, Pranay Ladiwala, Huibao Feng, Wenwen Huang, David L. Kaplan, Jonathan M. Galazka, Fuzhong Zhang. Recombinant Spidroins Fully Replicate Primary Mechanical Properties of Natural Spider Silk. Biomacromolecules, 2018

KOMENTARZE
Newsletter