細(xì)菌可將蛋白質(zhì)合成為性能更優(yōu)異的生物蛛絲
中國微生物菌種查詢網(wǎng) / 2019-04-11 08:40:49
在科學(xué)研究領(lǐng)域，仿生相對屬于一種創(chuàng)新的捷徑。但與天然的蛛絲相比，實(shí)驗(yàn)室合成的效果普遍不太理想。好消息是，華盛頓大學(xué)圣路易斯分校的研究人員，剛剛找到了新的方法 —— 借助細(xì)菌的力量，將大號的蛋白質(zhì)，轉(zhuǎn)變?yōu)槎囗?xiàng)關(guān)鍵性能不遜于天然產(chǎn)物的合成蛛絲。已知的是，蛛絲比在強(qiáng)度媲美鋼鐵的同時、韌性又優(yōu)于凱夫拉（Kevlar），屬于自然界中最令人印象深刻的材料之一。
它從更大的蛋白質(zhì)中分離出來，與天然物質(zhì)相比，其多項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)并不遜色。
新型生物合成蛛絲的顯微鏡圖像
盡管聽起來很簡單，但團(tuán)隊(duì)必須克服的第一個障礙，就是細(xì)菌無法處理過大的序列、并將之切分成小塊。
研究配圖
為測試材料性能，研究團(tuán)隊(duì)后續(xù)將這些較大的蛋白質(zhì)紡成了纖維，直徑約為人類頭發(fā)絲的 1 / 10 。
該校工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)，在 8 月 20 號發(fā)表在《生物大分子學(xué)》雜志上的文章中表示：蜘蛛絲的拉伸強(qiáng)度和韌性，預(yù)期分子量保持正相關(guān) —— 分子越大、則蛛絲越強(qiáng)。但在合成領(lǐng)域，前一個記錄保持者的重量，幾乎是天然蛛絲的兩倍。
即便如此，有關(guān)合成蛛絲的研究，還遠(yuǎn)未達(dá)到能夠支撐其大規(guī)模應(yīng)用的地步。有人想過養(yǎng)殖蜘蛛，甚至通過生物技術(shù)，將蛛絲基因拼接到其它生物上，但產(chǎn)能依然是個問題。
在這項(xiàng)新研究中，團(tuán)隊(duì)的重心已不是改造細(xì)菌，而是試圖提升合成蛛絲在分子水平上的性能。
其關(guān)鍵在于怎么融合蛋白質(zhì)，該過程由特定的 DNA 序列推動，序列重復(fù)的次數(shù)越多、蛋白質(zhì)就越大、所得的合成蛛絲也就越強(qiáng)。
為了解決這個問題，研究人員在 DNA 中添加了一個新的短序列。它會觸發(fā)蛋白質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)，讓它們?nèi)诤闲纬筛蟮牡鞍踪|(zhì)。
最終，他們打造出了測量值為 556 千道爾頓（kDa / 原子測量單位）的絲蛋白鏈。這較通普通天然絲蛋白的 370 kDa 更長，幾乎是其它生物合成蛛絲蛋白的兩倍（最大 285 kDa 左右）。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，新材料在拉伸強(qiáng)度、韌性、延展性、抗變形性等方面，都可與天然蛛絲相媲美。