Microbially Produced Fiber 2
Thông tin công nghệ

Sợi đáng kinh ngạc được tạo ra bởi vi khuẩn kỹ thuật: Mạnh hơn thép, dai hơn Kevlar

Sợi amyloid cao phân tử với 128 protein lặp lại. Tín dụng: Jingyao Li

Được thiết kế nhân tạo, protein lai amyloid-tơ được phát triển trong phòng thí nghiệm Zhang thậm chí còn vượt trội hơn một số loại tơ nhện.

Tơ nhện được cho là một trong những vật liệu bền nhất, dai nhất trên Trái đất. Giờ đây, các kỹ sư tại Đại học Washington ở St. Louis đã thiết kế các protein lai tơ amyloid và sản xuất chúng trong vi khuẩn đã được thiết kế. Các sợi tạo thành chắc chắn và dai hơn một số loại tơ nhện tự nhiên.

Nghiên cứu của họ đã được công bố trên tạp chí ACS Nano .

128 protein lặp lại tạo ra một sợi có độ bền gigapascal, mạnh hơn thép thông thường. Độ dai của sợi cao hơn Kevlar và tất cả các sợi tơ tái tổ hợp trước đây. Sức mạnh và độ dẻo dai của nó thậm chí còn cao hơn một số loại sợi tơ nhện tự nhiên được báo cáo. Nguồn: Đại học Washington ở St. Louis / Jingyao Li

Nói một cách chính xác, tơ nhân tạo – được gọi là sợi “polyme amyloid” – không phải do các nhà nghiên cứu sản xuất về mặt kỹ thuật, mà bởi vi khuẩn được biến đổi gen trong phòng thí nghiệm của Fuzhong Zhang, giáo sư tại Khoa Năng lượng, Môi trường & Kỹ thuật Hóa học tại Trường Kỹ thuật McKelvey.

Zhang đã làm việc với tơ nhện trước đây. Vào năm 2018, phòng thí nghiệm của ông đã thiết kế vi khuẩn tạo ra tơ nhện tái tổ hợp với hiệu suất ngang bằng với các loại tơ tự nhiên về tất cả các đặc tính cơ học quan trọng.

Zhang nói: “Sau công trình trước đây của chúng tôi, tôi tự hỏi liệu chúng tôi có thể tạo ra thứ gì đó tốt hơn tơ nhện bằng cách sử dụng nền tảng sinh học tổng hợp của chúng tôi.

Nhóm nghiên cứu, bao gồm tác giả đầu tiên Jingyao Li, một nghiên cứu sinh tại phòng thí nghiệm của Zhang, đã sửa đổi trình tự axit amin của protein tơ nhện để tạo ra các đặc tính mới, đồng thời giữ một số đặc điểm hấp dẫn của tơ nhện.

Một vấn đề liên quan đến sợi tơ nhện tái tổ hợp – mà không có sự thay đổi đáng kể từ chuỗi tơ nhện tự nhiên – là nhu cầu tạo ra tinh thể β-nano, một thành phần chính của tơ nhện tự nhiên, góp phần vào sức mạnh của nó. Zhang cho biết: “Nhện đã tìm ra cách quay sợi với một lượng tinh thể nano đáng mơ ước. “Nhưng khi con người sử dụng quy trình kéo sợi nhân tạo, lượng tinh thể nano trong sợi tơ tổng hợp thường thấp hơn so với sợi tơ tự nhiên của nó”.

Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã thiết kế lại trình tự tơ bằng cách đưa vào các trình tự amyloid có xu hướng hình thành tinh thể β-nano cao. Họ đã tạo ra các protein amyloid cao phân tử khác nhau bằng cách sử dụng ba trình tự amyloid đã được nghiên cứu kỹ lưỡng làm đại diện. Các protein thu được có trình tự axit amin ít lặp lại hơn so với tơ nhện, do đó vi khuẩn đã được biến đổi gen dễ dàng tạo ra chúng hơn. Cuối cùng, vi khuẩn đã tạo ra một protein amyloid cao phân tử lai với 128 đơn vị lặp lại. Sự biểu hiện tái tổ hợp của protein tơ nhện với các đơn vị lặp lại tương tự đã được chứng minh là khó.

Biểu đồ này so sánh độ dai và sức mạnh của các sợi tơ tái tổ hợp và tự nhiên khác nhau. Màu đỏ là sợi amyloid cao phân tử được phát triển trong phòng thí nghiệm của Fuzhong Zhang. Nguồn: Đại học Washington ở St. Louis / Jingyao Li

Protein càng dài, chất xơ tạo thành càng chắc và dai. 128 protein lặp lại tạo ra sợi có độ bền gigapascal (thước đo lực cần thiết để phá vỡ sợi có đường kính cố định), bền hơn thép thông thường. Độ dai của sợi (thước đo lượng năng lượng cần thiết để làm đứt sợi) cao hơn Kevlar và tất cả các sợi tơ tái tổ hợp trước đây. Sức mạnh và độ dẻo dai của nó thậm chí còn cao hơn một số loại sợi tơ nhện tự nhiên được báo cáo.

Phối hợp với Young- Shin Jun, giáo sư Khoa Năng lượng, Môi trường & Kỹ thuật Hóa học, và nghiên cứu sinh Yaguang Zhu của cô, nhóm nghiên cứu đã xác nhận rằng các đặc tính cơ học cao của các sợi amyloid cao phân tử thực sự đến từ số lượng tinh thể nano β được tăng cường. .

Những protein mới này và các sợi tạo thành không phải là phần cuối của câu chuyện về sợi tổng hợp hiệu suất cao trong phòng thí nghiệm Zhang. Họ chỉ mới bắt đầu. Zhang nói: “Điều này chứng tỏ rằng chúng ta có thể thiết kế sinh học để tạo ra các vật liệu đánh bại vật liệu tốt nhất trong tự nhiên.

Công trình nghiên cứu này chỉ khám phá ba trong số hàng nghìn trình tự amyloid khác nhau có khả năng tăng cường các đặc tính của tơ nhện tự nhiên. Li nói: “Dường như có khả năng không giới hạn trong kỹ thuật vật liệu hiệu suất cao bằng cách sử dụng nền tảng của chúng tôi. “Có khả năng bạn có thể sử dụng các chuỗi khác, đưa chúng vào thiết kế của chúng tôi và cũng có được sợi quang nâng cao hiệu suất.”

Tham khảo: “Sợi Amyloid polyme được tổng hợp bằng vi sinh thúc đẩy sự hình thành tinh thể β-Nano và hiển thị độ bền kéo Gigapascal” của Jingyao Li, Yaguang Zhu, Han Yu, Bin Dai, Young-Shin Jun và Fuzhong Zhang, ngày 12 tháng 7 năm 2021, ACS Nano .
DOI: 10.1021 / acsnano.1c02944

Nghiên cứu này được hỗ trợ bởi Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ, số 20196702129943, và Văn phòng Nghiên cứu Hải quân, số N000141912126.

Theo Scitechdaily

What's your reaction?

Excited
0
Happy
0
In Love
0
Not Sure
0

You may also like

Leave a reply

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Website này sử dụng Akismet để hạn chế spam. Tìm hiểu bình luận của bạn được duyệt như thế nào.