Шелк паука считается одним из самых прочных и жестких материалов на Земле. Теперь инженеры Вашингтонского университета в Сент-Луисе разработали гибридные белки амилоидного шелка и произвели их в модифицированных бактериях. Получающиеся волокна прочнее и жестче, чем у некоторых натуральных паутинных шелков.
Если быть точным, искусственный шелк, получивший название "полимерное амилоидное волокно", технически был произведен не исследователями, а бактериями, которые были генетически сконструированы в лаборатории Фучжун Чжана, профессора кафедры энергетики, окружающей среды и химической инженерии, Инженерная школа Маккелви.
Чжан раньше работал с паутинным шелком. В 2018 году его лаборатория сконструировала бактерии, которые произвели рекомбинантный паучий шелк с характеристиками, сопоставимыми с его естественными аналогами по всем важным механическим свойствам. Исследовательская группа, в которую входит первый автор Цзинъяо Ли, аспирант в лаборатории Чжана, изменила аминокислотную последовательность белков паучьего шелка, чтобы ввести новые свойства, сохранив при этом некоторые привлекательные особенности оригинала.
Проблема, связанная с рекомбинантным волокном паучьего шелка, заключается в необходимости создания β-нанокристаллов, основного компонента натурального паучьего шелка, который способствует его прочности.
Чтобы решить эту проблему, команда переработала последовательность шелка, добавив амилоидные последовательности, которые имеют высокую тенденцию к образованию β-нанокристаллов. Они создали различные полимерные амилоидные белки, используя в качестве представителей три хорошо изученные амилоидные последовательности. Полученные белки имели менее повторяющиеся аминокислотные последовательности, чем шелк паука, что облегчало их производство искусственно созданными бактериями. В конечном итоге бактерии продуцировали гибридный полимерный амилоидный белок со 128 повторяющимися единицами. Рекомбинантная экспрессия белка шелка паука с подобными повторяющимися единицами оказалась затруднительной.
Чем длиннее белок, тем прочнее и жестче получается волокно. Белки с 128 повторами привели к получению волокна с гигапаскальной прочностью (мера силы, необходимой для разрыва волокна фиксированного диаметра), которое прочнее обычной стали. Прочность волокон (показатель того, сколько энергии необходимо для разрыва волокна) выше, чем у кевлара и всех предыдущих рекомбинантных шелковых волокон. Его прочность и жесткость даже выше, чем у некоторых натуральных волокон паучьего шелка.
В сотрудничестве с Янг-Шин Джун, профессором факультета энергетики, окружающей среды и химической инженерии, и ее аспирантом Ягуанг Чжу команда подтвердила, что высокие механические свойства полимерных амилоидных волокон действительно связаны с повышенным количеством β-нанокристаллов. .
Эти новые белки и полученные волокна — это еще не конец истории создания высокоэффективных синтетических волокон в лаборатори. В текущей работе было исследовано всего три из тысяч различных амилоидных последовательностей, которые потенциально могут улучшить свойства натурального паучьего шелка. Кажется, есть неограниченные возможности в разработке высокоэффективных материалов.
