Proteinerna med 128 upprepningar resulterade i en fiber med gigapascal styrka som är starkare än vanligt stål. Fibrernas seghet är högre än Kevlar och alla tidigare rekombinanta silkesfibrer. Dess styrka och seghet är till och med högre än vissa rapporterade naturliga spindelsilkefibrer. Kredit:Washington University i St. Louis/Jingyao Li
Spindelsilke sägs vara en av de starkaste, jordens tuffaste material. Nu har ingenjörer vid Washington University i St Louis designat amyloidsilkeshybridproteiner och producerat dem i konstruerade bakterier. De resulterande fibrerna är starkare och segare än vissa naturliga spindelsilke.
Deras forskning publicerades i tidskriften ACS Nano.
Att vara precis, det konstgjorda sidenet – kallat "polymer amyloid"-fiber – tillverkades inte tekniskt av forskare, men av bakterier som var genetiskt modifierade i Fuzhong Zhangs labb, professor vid institutionen för energi, Miljö- och kemiteknik vid McKelvey School of Engineering.
Zhang har arbetat med spindelsilke tidigare. Under 2018, hans labb konstruerade bakterier som producerade ett rekombinant spindelsilke med prestanda i nivå med sina naturliga motsvarigheter i alla viktiga mekaniska egenskaper.
"Efter vårt tidigare arbete, Jag undrade om vi kunde skapa något bättre än spindelsilke med vår syntetiska biologiplattform, " sa Zhang.
Forskargruppen, som inkluderar första författaren Jingyao Li, en Ph.D. student i Zhangs labb, modifierade aminosyrasekvensen av spindelsilkeproteiner för att introducera nya egenskaper, samtidigt som du behåller några av de attraktiva egenskaperna hos spindelsilke.
Ett problem som är förknippat med rekombinant spindelsilkefiber – utan betydande modifiering från naturlig spindelsilkesekvens – är behovet av att skapa β-nanokristaller, en huvudkomponent i naturligt spindelsilke, som bidrar till dess styrka. "Spindlar har kommit på hur man spinner fibrer med en önskvärd mängd nanokristaller, " sa Zhang. "Men när människor använder konstgjorda spinnprocesser, mängden nanokristaller i en syntetisk silkesfiber är ofta lägre än dess naturliga motsvarighet."
Detta diagram jämför segheten och styrkan hos olika naturliga och rekombinanta silkesfibrer. I rött är den polymera amyloidfibern som utvecklats i Fuzhong Zhangs labb. Kredit:Washington University i St. Louis/Jingyao Li
För att lösa det här problemet, teamet designade om silkessekvensen genom att introducera amyloidsekvenser som har hög tendens att bilda β-nanokristaller. De skapade olika polymera amyloidproteiner med hjälp av tre väl studerade amyloidsekvenser som representanter. De resulterande proteinerna hade mindre repetitiva aminosyrasekvenser än spindelsilke, vilket gör dem lättare att producera av konstruerade bakterier. I sista hand, bakterierna producerade ett hybridt polymert amyloidprotein med 128 repeterande enheter. Rekombinant uttryck av spindelsilkeprotein med liknande repeterande enheter har visat sig vara svårt.
Ju längre proteinet är, desto starkare och segare blir den resulterande fibern. Proteinerna med 128 upprepningar resulterade i en fiber med gigapascal styrka (ett mått på hur mycket kraft som behövs för att bryta en fiber med fast diameter), som är starkare än vanligt stål. Fibrernas seghet (ett mått på hur mycket energi som behövs för att bryta en fiber) är högre än Kevlar och alla tidigare rekombinanta silkesfibrer. Dess styrka och seghet är till och med högre än vissa rapporterade naturliga spindelsilkefibrer.
I samarbete med Young-Shin Jun, professor vid institutionen för energi, Miljö- och kemiteknik, och hennes Ph.D. student Yaguang Zhu, teamet bekräftade att de höga mekaniska egenskaperna hos de polymera amyloidfibrerna verkligen kommer från den ökade mängden β-nanokristaller.
Dessa nya proteiner och de resulterande fibrerna är inte slutet på historien för högpresterande syntetiska fibrer i Zhang-labbet. De har precis börjat. "Detta visar att vi kan konstruera biologi för att producera material som slår det bästa materialet i naturen, " sa Zhang.
