合成生物学使微生物能够制造出比凯夫拉纤维更坚韧的肌肉纤维

你会穿由肌肉纤维制成的衣服吗?用它们来系鞋带,甚至把它们当作皮带来穿?这听起来可能有点奇怪,但如果这些纤维在断裂前能承受比棉、丝、尼龙甚至凯夫拉更多的能量,那么为什么不呢?别担心,这种肌肉可以在不伤害任何动物的情况下生产。

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圣路易斯华盛顿大学McKelvey工程学院的研究人员开发了一种合成化学方法,在工程微生物内部聚合蛋白质。这使微生物能够产生高分子量的肌肉蛋白--钛蛋白,然后将其纺成纤维。他们的研究发表在2021年8月30日星期一的《自然通讯》杂志上。

"它的生产可以是廉价和可扩展的。"能源、环境和化学工程系教授Zhang Fuzhong说:"它可能会实现人们以前想到的许多应用,但要用天然的肌肉纤维。现在,这些应用可能在不需要实际动物组织的情况下实现。"

Zhang的实验室生产的合成肌肉蛋白是titin,是肌肉组织的三个主要蛋白成分之一。对其机械性能至关重要的是titin的大分子尺寸。它是自然界中最大的已知蛋白质。肌肉纤维已经被关注了很久。研究人员一直在尝试设计具有与肌肉类似特性的材料,用于各种应用,如软体机器人。

为了规避通常阻碍细菌生产大型蛋白质的一些问题,研究小组设计了细菌,将较小的蛋白质片段拼接成大小约为2兆道尔顿的超高分子量聚合物--约为普通细菌蛋白质的50倍。然后他们使用湿法纺纱工艺将蛋白质转化为直径约为10微米的纤维,或人类头发厚度的十分之一。

与合作者能源、环境和化学工程系教授Young Shin Jun和西北大学机械工程系教授Sinan Keten合作,该小组随后分析了这些纤维的结构,以确定使其独特的韧性、强度和阻尼能力(或将机械能量作为热量散失的能力)相结合的分子机制。

除了花哨的衣服或保护性盔甲(同样,这种纤维比防弹背心中使用的凯夫拉材料更坚韧),萨金特指出,这种材料也有许多潜在的生物医学应用。因为它与肌肉组织中的蛋白质几乎相同,这种合成材料据推测具有生物相容性,因此可以成为缝合线、组织工程等方面的绝佳材料。

Zhang的研究小组并不打算在合成肌肉纤维上止步。未来可能会有更多由他们的微生物合成策略促成的独特材料。Bowen、Cameron和Zhang已经在研究的基础上提交了一份专利申请。该系统的魅力在于它确实是一个可以应用于任何地方的平台。可以从不同的自然环境中获取蛋白质,然后把它们放入这个平台进行聚合,并为各种材料应用创造更大、更长的蛋白质,具有更大的可持续性。

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