Naturen har utvecklat proteinbaserade ämnen med mekaniska egenskaper som konkurrerar med även de bästa syntetiska materialen. Till exempel, pund för pund, spindelsilke är starkare och segare än stål. Men till skillnad från stål, naturfibern kan inte masstillverkas. I dag, forskare rapporterar en ny metod som drar fördel av konstruerade bakterier för att producera spindelsilke och andra svårframställda proteiner som kan vara användbara under framtida rymduppdrag.

Forskarna kommer att presentera sina resultat idag vid American Chemical Society (ACS) Spring 2019 National Meeting &Exposition.

"I naturen, det finns många proteinbaserade material som har fantastiska mekaniska egenskaper, men tillgången på dessa material är mycket ofta begränsad, " säger Fuzhong Zhang, Ph.D., projektets huvudutredare. "Mitt labb är intresserad av att konstruera mikrober så att vi inte bara kan producera dessa material, men gör dem ännu bättre."

Om de produceras i tillräckliga mängder, spindelsilke kan användas för en mängd olika applikationer, allt från skottsäkert tyg till kirurgiska suturer. Men spindelsilke är inte lätt att odla - spindlar producerar små mängder, och vissa arter blir kannibalistiska när de hålls i grupper. Därför, forskare har provat teknikbakterier, jäst, växter och till och med getter för att producera spindelsilke, men de har ännu inte helt kunnat replikera naturfiberns mekaniska egenskaper.

En del av problemet är att spindelsilkeproteiner kodas av mycket långa, mycket repetitiva sekvenser av DNA. Spindlar har utvecklat sätt att behålla dessa sekvenser i deras genom. Men när forskare lägger in den här typen av DNA i andra organismer, generna är väldigt instabila, blir ofta avklippt eller på annat sätt förändrad av värdens cellulära maskineri. Zhang och kollegor vid Washington University i St Louis undrade om de kunde bryta den långa, repetitiva sekvenser till kortare block som bakterier kan hantera och göra till proteiner. Sedan, forskarna kunde sätta ihop de kortare proteinerna till den längre spindelsilkefibern.

Teamet introducerade gener till bakterier som kodade för två delar av spindelsilkeproteinet, var och en flankerad av en sekvens som kallas ett delat intein. Delade inteiner är naturligt förekommande proteinsekvenser med enzymatisk aktivitet:Två delade inteiner på olika proteinfragment kan gå samman och sedan skära sig själva för att ge ett intakt protein. Efter att ha introducerat generna, forskarna bröt upp bakterierna och renade de korta bitarna av spindelsilkeprotein. Blandningen av fragmenten fick dem att gå samman genom "limmet" i den delade inteinsekvensen, som sedan skär ut sig för att ge fullängdsproteinet. När det spins till fibrer, det mikrobiellt framställda spindelsilket hade alla egenskaperna hos naturligt spindelsilke, inklusive exceptionell styrka, seghet och töjbarhet. Forskarna fick mer silke med denna metod än de kunde från spindlar (så mycket som två gram silke per liter bakteriekultur), och de försöker just nu öka avkastningen ännu mer.

Forskarna kan göra olika repetitiva proteiner helt enkelt genom att byta ut spindelsilkets DNA och sätta andra sekvenser i bakterier. Till exempel, forskarna använde tekniken för att göra ett protein av musslor som fäster starkt på ytor. Proteinet skulle en dag kunna appliceras som ett undervattenslim. Nu, forskarna arbetar med att effektivisera processen så att proteinsammanfogningsreaktionen kan ske inuti bakterieceller. Detta skulle förbättra effektiviteten och den potentiella automatiseringen av systemet eftersom forskare inte skulle behöva rena de två delarna av proteinet och sedan inkubera dem tillsammans.

Förutom applikationer här på jorden, det bakteriella proteinproduktionssystemet kan vara till hjälp under rymduppdrag, Zhang noterar. "NASA är en av våra finansiärer, och de är intresserade av bioproduktion, " säger han. "De utvecklar för närvarande teknologier där de kan omvandla koldioxid till kolhydrater som kan användas som mat för de mikrober som vi konstruerar. På det sättet, astronauter kunde producera dessa proteinbaserade material i rymden utan att ta med en stor mängd råvaror."