211service.com
Výroba materiálů s pevností Spider
Vědci se po desetiletí pokoušeli vyrobit umělé pavoučí hedvábí – lehký, tužší než ocelový materiál, který by mohl mít nespočet průmyslových aplikací. Jako důležitý krok k tomuto cíli vytvořili vědci z Tufts University geneticky upravené mikroby, které produkují více proteinů potřebných k výrobě pavoučího hedvábí než kdykoli předtím.
Mikrobní hedvábí: Toto vlákno je vyrobeno z vysoce kvalitních proteinů z pavoučího hedvábí produkovaných geneticky modifikovanými bakteriemi.
Vlečné hedvábí – typ, který pavouci používají pro ráfky a paprsky svých sítí – je tvrdší a mnohem lehčí než ocel. Upravené bakterie mohou produkovat proteiny potřebné k syntéze tohoto hedvábí, které se spřádá a vytváří vlákna. Předchozí snahy o výrobu pavoučího hedvábí pomocí bakterií však byly ochromeny z několika důvodů. Za prvé, vědci mají neúplný obrázek sekvence genu hedvábí vlečné šňůry. A za druhé, měli omezený úspěch v modifikaci bakterií, aby produkovaly dostatek proteinů.
David Kaplan , vedoucí oddělení biomedicínského inženýrství na Tufts University, je průkopníkem aplikace hedvábí bource morušového v lékařských zařízeních, biologicky rozložitelné elektronice, optických zařízeních a lepidlech. Věří, že pavoučí hedvábí, které je silnější než odrůda bource morušového, by mohlo otevřít nové aplikace, ale říká: Nebylo tolik prozkoumáno, protože jsme neměli dostatek materiálu. Pavouci jsou agresivní a teritoriální, a proto je nelze chovat jako bource morušového.
Bioinženýři měli jen mírný úspěch při získávání mikrobů, aby vytvořili proteiny z pavoučího hedvábí. Chemický gigant DuPont se v 90. letech neúspěšně pokusili vyvinout hedvábný produkt produkovaný bakteriemi. Část problému spočívá v tom, že pavoučí hedvábí je vyrobeno z velmi velkého proteinu s vysoce repetitivní genetickou sekvencí, což ztěžuje jeho dekódování, říká Christopher Voigt , profesor farmaceutické chemie na Kalifornské univerzitě v San Franciscu.
Minulý rok vědci pomocí nových sekvenačních technologií vytvořili první kompletní genetickou sekvenci pro pavoučí hedvábí. Předtím byli vědci nuceni používat geny zkráceného hedvábí a vlákna vyrobená pomocí těchto genů nebyla tak pevná a houževnatá jako přírodní hedvábí.
I s úplnou sekvencí genu pro hedvábí vlečné šňůry je výroba umělého hedvábí výzvou. Vytvoření dostatečného množství bílkovin vyžaduje větší množství výchozího materiálu, než bakterie přirozeně obsahují. Ve spolupráci s výzkumníky z Korea Advanced Institute of Science and Technology v Daejeonu a Soulské národní univerzitě Kaplan přidal úplný hedvábný gen do E-coli a poté změnila dráhu tvorby bílkovin bakterií tak, aby produkovala dostatečné množství aminokyselin potřebných k produkci hedvábí. Dříve uměle upravené bakterie dokázaly produkovat pouze desítky miligramů proteinu na litr. Kaplanova E-coli výtěžek jeden až dva gramy na litr.
Jasně to ukázali E-coli dokáže vyrobit tyto velké proteiny a zkonstruovat je tak, aby na to měly zdroje, říká Randy Lewis , profesor molekulární biologie na University of Wyoming. Lewis předpovídá, že během několika let bude možné použít bakteriální systém k výrobě kilogramových množství umělého pavoučího hedvábí.
Kaplan říká, že to je jeho plán. Rádi bychom z toho udělali nepřetržitý výrobní proces, říká.
Kaplan říká, že to, co je nyní potřeba, jsou energeticky účinnější metody pro přeměnu proteinů na vlákna. Pomocí metod spřádání podobných těm, které se používají k výrobě polymerních vláken, jako je polyester, jeho skupina vytvořila vlákna z proteinů týmu s vlastnostmi srovnatelnými s přírodním hedvábím vlečným lanem, pokud jde o pevnost, elasticitu a houževnatost. Protože jsou však proteiny z pavoučího hedvábí jemné a nerozpustné ve vodě, jejich spřádání do vláken vyžaduje zpracování při vysoké teplotě a drsná rozpouštědla.
Vlákna vyžadují obrovské množství energie, aby se dali dohromady, říká Kaplan. Materiáloví vědci by rádi vyráběli hedvábná vlákna tak, jak to dělají pavouci: při okolní teplotě, bez drsných rozpouštědel.
Prosazuje se nový přístup k problému Luke Lee , ředitel centra molekulárních nanotechnologií na Kalifornské univerzitě v Berkeley. Navrhuje zvlákňovací systémy, které obsahují mikrofluidní kanály navržené tak, aby poskytovaly gradienty soli a rozpouštědla nalezené v pavoučích žlázách. Zavolala společnost Refaktorované materiály , kterou založili studenti Lee’s a Voigt’s, také pracuje na problému s předením.