Microbieel geproduceerde vezels: sterker dan staal, taaier dan Kevlar

Spinzijde wordt beschouwd als een van de sterkste en taaiste materialen op aarde. Nu hebben ingenieurs van de Washington University in St. Louis amyloïde zijdehybride-eiwitten ontworpen en geproduceerd in gemanipuleerde bacteriën. De resulterende vezels zijn sterker en taaier dan sommige natuurlijke spinnenzijden.

Hun onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano.

Om precies te zijn, de kunstzijde – ook wel “polymere amyloïde” vezel genoemd – werd technisch niet geproduceerd door onderzoekers, maar door bacteriën die genetisch werden gemanipuleerd in het laboratorium van Fuzhong Zhang, een professor in het Department of Energy, Environmental & Chemical Engineering in de McKelvey School of Engineering.

Zhang heeft eerder met spinnenzijde gewerkt. In 2018 ontwikkelde zijn laboratorium bacteriën die een recombinante spinzijde produceerden met prestaties die vergelijkbaar waren met zijn natuurlijke tegenhangers in alle belangrijke mechanische eigenschappen.

“Na ons eerdere werk vroeg ik me af of we iets beters dan spinnenzijde konden maken met behulp van ons platform voor synthetische biologie,” zei Zhang.

Het onderzoeksteam, waaronder eerste auteur Jingyao Li, een Ph.D. student in het laboratorium van Zhang, wijzigde de aminozuurvolgorde van spinzijde-eiwitten om nieuwe eigenschappen te introduceren, terwijl enkele van de aantrekkelijke eigenschappen van spinzijde behouden bleven.

Een probleem dat samenhangt met recombinante spinzijdevezel – zonder significante wijziging van de natuurlijke spinzijde-sequentie – is de noodzaak om β-nanokristallen te creëren, een hoofdbestanddeel van natuurlijke spinzijde, dat bijdraagt ​​aan de sterkte ervan. “Spinnen hebben ontdekt hoe ze vezels kunnen spinnen met een gewenste hoeveelheid nanokristallen,” zei Zhang. “Maar wanneer mensen kunstmatige spinprocessen gebruiken, is de hoeveelheid nanokristallen in een synthetische zijdevezel vaak lager dan zijn natuurlijke tegenhanger.”

Om dit probleem op te lossen, heeft het team de zijde-sequentie opnieuw ontworpen door amyloïde-sequenties te introduceren die een hoge neiging hebben om nan-nanokristallen te vormen. Ze creëerden verschillende polymere amyloïde-eiwitten met behulp van drie goed bestudeerde amyloïde-sequenties als vertegenwoordigers. De resulterende eiwitten hadden minder repetitieve aminozuursequenties dan spinnenzijde, waardoor ze gemakkelijker door gemanipuleerde bacteriën kunnen worden geproduceerd. Uiteindelijk produceerden de bacteriën een hybride polymeer amyloïde eiwit met 128 herhalende eenheden. Recombinante expressie van spinzijde-eiwit met vergelijkbare herhalende eenheden is moeilijk gebleken.

Hoe langer het eiwit, hoe sterker en taaier de resulterende vezel. De 128-herhaalde eiwitten resulteerden in een vezel met gigapascal-sterkte (een maat voor hoeveel kracht er nodig is om een ​​vezel met een vaste diameter te breken), die sterker is dan gewoon staal. De taaiheid van de vezels (een maat voor hoeveel energie nodig is om een ​​vezel te breken) is hoger dan die van Kevlar en alle eerdere recombinante zijdevezels. De sterkte en taaiheid zijn zelfs hoger dan sommige gerapporteerde natuurlijke spinzijdevezels.

In samenwerking met Young-Shin Jun, hoogleraar bij de afdeling Energie, Milieu & Chemische Technologie, en haar Ph.D. student Yaguang Zhu, bevestigde het team dat de hoge mechanische eigenschappen van de polymere amyloïde vezels inderdaad afkomstig zijn van de verhoogde hoeveelheid β-nanokristallen.

Deze nieuwe eiwitten en de resulterende vezels zijn niet het einde van het verhaal voor hoogwaardige synthetische vezels in het Zhang-lab. Ze beginnen net. “Dit toont aan dat we biologie kunnen ontwikkelen om materialen te produceren die het beste materiaal in de natuur verslaan”, zei Zhang.