Κινέζοι επιστήμονες κατασκεύασαν με επιτυχία μετάξι αράχνης από γενετικά τροποποιημένους μεταξοσκώληκες, παράγοντας μια ίνα πολύ ισχυρότερη από το Kevlar. Δημοσιεύτηκε στο περιοδικό ΘέμαΑυτή η πρωτοποριακή μελέτη παρουσιάζει μια πιθανή φιλική προς το περιβάλλον εναλλακτική λύση στις εμπορικές συνθετικές ίνες. Τα ευρήματα έχουν ευρείες επιπτώσεις, που κυμαίνονται από χειρουργικά ράμματα έως καινοτομίες στους τομείς του στρατού, της αεροδιαστημικής και της βιοϊατρικής.
Επιστήμονες στην Κίνα ανέπτυξαν μια μέθοδο παραγωγής μεταξιού αράχνης από γενετικά τροποποιημένους μεταξοσκώληκες, παρέχοντας μια ισχυρή και βιώσιμη εναλλακτική λύση στις συνθετικές ίνες με εφαρμογές σε διάφορες βιομηχανίες.
Οι ερευνητές δημιούργησαν μετάξι αράχνης από γενετικά τροποποιημένους μεταξοσκώληκες, παράγοντας μια ίνα έξι φορές ισχυρότερη από την ίνα Kevlar που χρησιμοποιείται στα αλεξίσφαιρα γιλέκα. Η μελέτη δημοσιεύτηκε στις 20 Σεπτεμβρίου στο περιοδικό Θέμα, ήταν ο πρώτος που παρήγαγε με επιτυχία πρωτεΐνες μεταξιού αράχνης πλήρους μήκους χρησιμοποιώντας μεταξοσκώληκες. Τα αποτελέσματα δείχνουν μια τεχνολογία που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή μιας φιλικής προς το περιβάλλον εναλλακτικής λύσης σε συνθετικές εμπορικές ίνες όπως το νάιλον.
«Το μετάξι του μεταξοσκώληκα είναι επί του παρόντος η μόνη ζωική ίνα μεταξιού που διατίθεται ευρέως στο εμπόριο, χρησιμοποιώντας καθιερωμένες τεχνικές εκτροφής», είπε ο Μέι. «Ως εκ τούτου, η χρήση γενετικά τροποποιημένων μεταξοσκωλήκων για την παραγωγή ινών μεταξιού αράχνης επιτρέπει την εμπορευματοποίηση χαμηλού κόστους και μεγάλης κλίμακας».
Εικόνα αναγκασμένου μεταξιού κυλίνδρων. Πίστωση: Junpeng Mei
Βιωσιμότητα του μεταξιού της αράχνης
Οι επιστήμονες εξετάζουν το μετάξι της αράχνης ως μια ελκυστική, βιώσιμη εναλλακτική λύση στις συνθετικές ίνες, οι οποίες μπορούν να απελευθερώσουν επιβλαβή μικροπλαστικά στο περιβάλλον και συχνά παράγονται από ορυκτά καύσιμα που παράγουν εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου. Αλλά η στροφή στη φύση για εναλλακτικές δεν είναι χωρίς προκλήσεις. Οι διαδικασίες που αναπτύχθηκαν προηγουμένως για την κλώση του συνθετικού μεταξιού αράχνης δυσκολεύτηκαν να εφαρμόσουν ένα επιφανειακό στρώμα γλυκοπρωτεϊνών και λιπιδίων στο μετάξι για να το βοηθήσουν να αντέξει την υγρασία και την έκθεση στο ηλιακό φως – ένα αντιγηραντικό «στρώμα δέρματος» που εφαρμόζουν οι αράχνες στους ιστούς τους.
Ο Mee λέει ότι οι γενετικά τροποποιημένοι μεταξοσκώληκες προσφέρουν μια λύση σε αυτό το πρόβλημα, καθώς οι μεταξοσκώληκες καλύπτουν τις ίνες τους με ένα παρόμοιο προστατευτικό στρώμα.
«Το μετάξι της αράχνης αντιπροσωπεύει έναν στρατηγικό πόρο που χρειάζεται επειγόντως εξερεύνηση», δήλωσε ο Junping Mei, υποψήφιος διδάκτορας στη Σχολή Βιοεπιστημών και Ιατρικής Μηχανικής του Πανεπιστημίου Donghua και πρώτος συγγραφέας της μελέτης. «Η εξαιρετικά υψηλή μηχανική απόδοση των ινών που παράγονται σε αυτή τη μελέτη υπόσχεται πολλά σε αυτόν τον τομέα. Αυτός ο τύπος ινών μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως χειρουργικά ράμματα για να καλύψει μια παγκόσμια ζήτηση που υπερβαίνει τα 300 εκατομμύρια χειρουργικές επεμβάσεις ετησίως.
Οι ίνες μεταξιού αράχνης θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή πιο άνετων ρούχων και καινοτόμων τύπων αλεξίσφαιρων γιλέκων, λέει η Mei, και μπορεί να έχουν εφαρμογές σε έξυπνα υλικά, στρατιωτική, αεροδιαστημική τεχνολογία και βιοϊατρική μηχανική.
Ίνες μεταξιού που παράγονται από γενετικά τροποποιημένους μεταξοσκώληκες. Πίστωση: Junpeng Mei
Διαδικασία σύνθεσης και προκλήσεις
Για να περιστρέψουν το μετάξι αράχνης από μεταξοσκώληκες, ο Mei και η ομάδα του εισήγαγαν γονίδια πρωτεΐνης μεταξιού αράχνης στο κύτταρο DNA Από μεταξοσκώληκες που εκφράζονται στους αδένες τους χρησιμοποιώντας έναν συνδυασμό τεχνολογίας επεξεργασίας γονιδίων CRISPR-Cas9 και εκατοντάδες χιλιάδες μικροενέσεις σε γονιμοποιημένα ωάρια μεταξοσκώληκα. Ο Μέι είπε ότι το ICSI αποτελούσε «μία από τις πιο σημαντικές προκλήσεις» στη μελέτη, αλλά όταν είδε τα μάτια των μεταξοσκώληκων να λάμπουν κόκκινα κάτω από ένα μικροσκόπιο φθορισμού – σημάδι επιτυχημένης επεξεργασίας γονιδίων – ενθουσιάστηκε.
«Χόρεψα και έτρεξα σχεδόν στο γραφείο του καθηγητή Μενγκ Κινγκ για να μοιραστώ αυτό το αποτέλεσμα», είπε η Μέι. «Θυμάμαι καθαρά εκείνη τη νύχτα, ο ενθουσιασμός με κρατούσε ξύπνιο».
Οι ερευνητές χρειάστηκαν επίσης να κάνουν τροποποιήσεις «εντοπισμού» στις γενετικά τροποποιημένες πρωτεΐνες μεταξιού αράχνης, έτσι ώστε να αλληλεπιδρούν σωστά με τις πρωτεΐνες στους αδένες του μεταξοσκώληκα, διασφαλίζοντας ότι οι ίνες έχουν περιστραφεί σωστά. Για να καθοδηγήσει τις τροποποιήσεις, η ομάδα ανέπτυξε ένα «μικρογραφικό βασικό δομικό μοντέλο» μεταξιού μεταξοσκώληκα.
«Η έννοια της «τοπικοποίησης» που εισάγεται σε αυτή τη διατριβή, μαζί με το απλό δομικό μοντέλο που προτείνεται, αντιπροσωπεύει μια σημαντική απόκλιση από την προηγούμενη έρευνα», λέει ο Mee. «Είμαστε βέβαιοι ότι η εμπορευματοποίηση μεγάλης κλίμακας είναι στον ορίζοντα».
μελλοντικές προοπτικές
Στο μέλλον, η Mei σχεδιάζει να χρησιμοποιήσει πληροφορίες για την ανθεκτικότητα και τη δύναμη των ινών μεταξιού αράχνης που αναπτύχθηκαν στην τρέχουσα μελέτη για να αναπτύξει γενετικά τροποποιημένους μεταξοσκώληκες που παράγουν ίνες από μετάξι αράχνης από φυσικά και κατασκευασμένα υλικά. Αμινοξέα.
«Η εισαγωγή περισσότερων από εκατό κατασκευασμένων αμινοξέων έχει απεριόριστες δυνατότητες για τεχνητές ίνες μεταξιού αράχνης», λέει η Mei.
Παραπομπή: «Υψηλής αντοχής και εξαιρετικά σκληρής ίνας μεταξιού ολόκληρης αράχνης, νηματοποιημένη από γενετικά τροποποιημένο μεταξοσκώληκα» από τους Junpeng Mi, Yizhong Zhou, Sanyuan Ma, Xingping Zhou, Shouying Xu, Yuchen Yang, Yuan Sun, Qingyou Xia, Hongnian Zhu, Suyang Wang , Luoyang Tian και Cheng Meng, 20 Σεπτεμβρίου 2023, Θέμα.
doi: 10.1016/j.matt.2023.08.013
Αυτή η εργασία υποστηρίχθηκε από το Εθνικό Ίδρυμα Φυσικών Επιστημών της Κίνας, Βασικά Έργα της Δημοτικής Επιτροπής Επιστήμης και Τεχνολογίας της Σαγκάης, Έργα Διεθνούς Συνεργασίας της Δημοτικής Επιτροπής Επιστήμης και Τεχνολογίας της Σαγκάης και τα Ταμεία Θεμελιωδών Ερευνών για τα Κεντρικά Πανεπιστήμια.
“Ερασιτέχνης διοργανωτής. Εξαιρετικά ταπεινός web maven. Ειδικός κοινωνικών μέσων Wannabe. Δημιουργός. Thinker.”