Ķīniešu zinātnieki ir veiksmīgi izgatavojuši zirnekļa zīdu no ģenētiski modificētiem zīdtārpiņiem, radot šķiedru, kas ir daudz stiprāka nekā kevlars. Publicēts žurnālā TēmaŠis revolucionārais pētījums piedāvā potenciālu videi draudzīgu alternatīvu komerciālajām sintētiskajām šķiedrām. Rezultātiem ir plaša ietekme, sākot no ķirurģiskām šuvēm līdz jauninājumiem militārajā, kosmosa un biomedicīnas jomā.
Zinātnieki Ķīnā ir izstrādājuši metodi zirnekļa zīda iegūšanai no ģenētiski modificētiem zīdtārpiņiem, nodrošinot spēcīgu un ilgtspējīgu alternatīvu sintētiskajām šķiedrām ar pielietojumu dažādās nozarēs.
Pētnieki radīja zirnekļa zīdu no ģenētiski modificētiem zīdtārpiņiem, radot sešas reizes stiprāku šķiedru nekā ložu necaurlaidīgās vestēs izmantotā Kevlar šķiedra. Pētījums tika publicēts 20. septembrī žurnālā Tēma, bija pirmais, kas veiksmīgi ražoja pilna garuma zirnekļa zīda proteīnus, izmantojot zīdtārpiņus. Rezultāti parāda tehnoloģiju, ko var izmantot, lai ražotu videi draudzīgu alternatīvu sintētiskām komerciālām šķiedrām, piemēram, neilonam.
“Zīdtārpiņu zīds pašlaik ir vienīgā dzīvnieku zīda šķiedra, kas tiek plaši komercializēta, izmantojot vispāratzītas audzēšanas metodes,” sacīja Mei. “Tāpēc ģenētiski modificētu zīdtārpiņu izmantošana zirnekļa zīda šķiedru ražošanai nodrošina zemu izmaksu un liela mēroga komercializāciju.”
Piespiedu rullīšu zīda attēls. Kredīts: Junpeng Mei
Zirnekļa zīda ilgtspējība
Zinātnieki aplūko zirnekļa zīdu kā pievilcīgu, ilgtspējīgu alternatīvu sintētiskajām šķiedrām, kas var izdalīt vidē kaitīgu mikroplastmasu un bieži tiek ražotas no fosilā kurināmā, kas rada siltumnīcefekta gāzu emisijas. Taču pievēršanās dabai, meklējot alternatīvas, nav bez problēmām. Procesos, kas iepriekš izstrādāti sintētiskā zirnekļa zīda vērpšanai, ir bijis grūti uzklāt uz zīda virsmas glikoproteīnu un lipīdu slāni, lai palīdzētu tam izturēt mitrumu un saules gaismas iedarbību — pretnovecošanās “ādas slāni”, ko zirnekļi uzklāj uz saviem tīkliem.
Mī saka, ka ģenētiski modificētie zīdtārpiņi piedāvā risinājumu šai problēmai, jo zīdtārpiņi pārklāj savas šķiedras ar līdzīgu aizsargkārtu.
“Zirnekļu zīds ir stratēģisks resurss, kas ir steidzami jāizpēta,” sacīja Džunpings Mejs, Donghua Universitātes Biozinātnes un medicīnas inženierijas skolas doktora grāda kandidāts un pirmais pētījuma autors. “Šajā pētījumā ražoto šķiedru izcili augstā mehāniskā veiktspēja šajā jomā sniedz lielu solījumu. Šāda veida šķiedras var izmantot kā ķirurģiskas šuves, lai apmierinātu globālo pieprasījumu, kas pārsniedz 300 miljonus ķirurģisko procedūru gadā.
Zirnekļa zīda šķiedras varētu izmantot arī ērtāka apģērba un novatorisku ložu necaurlaidīgu vestu izgatavošanai, saka Mejs, un tās var izmantot viedos materiālos, militārajā jomā, kosmosa tehnoloģijās un biomedicīnas inženierijā.
Zīda šķiedra, ko ražo ģenētiski modificēti zīdtārpiņi. Kredīts: Junpeng Mei
Sintēzes process un izaicinājumi
Lai izgrieztu zirnekļa zīdu no zīdtārpiņiem, Mei un viņa komanda ievietoja šūnā zirnekļa zīda proteīna gēnus DNS No zīdtārpiņiem, kas jāizsaka to dziedzeros, izmantojot CRISPR-Cas9 gēnu rediģēšanas tehnoloģiju un simtiem tūkstošu mikroinjekciju apaugļotās zīdtārpiņu olās. Mei teica, ka ICSI ir “viens no svarīgākajiem izaicinājumiem” pētījumā, taču, redzot, ka zīdtārpiņu acis fluorescences mikroskopā mirdz sarkanā krāsā, kas liecina par veiksmīgu gēnu rediģēšanu, viņš bija sajūsmā.
“Es dejoju un praktiski skrēju uz profesora Menga Cjina biroju, lai pastāstītu par šo rezultātu,” sacīja Meja. “Es skaidri atceros to nakti, uztraukums neļāva man nomodā.”
Pētniekiem bija arī jāveic ģenētiski modificēto zirnekļa zīda proteīnu “lokalizācijas” modifikācijas, lai tie pareizi mijiedarbotos ar zīdtārpiņu dziedzeru proteīniem, nodrošinot pareizu šķiedru savērpšanu. Lai vadītu modifikācijas, komanda izstrādāja zīdtārpiņa zīda “miniatūru pamata struktūras modeli”.
“Šajā promocijas darbā ieviestais” lokalizācijas” jēdziens kopā ar piedāvāto vienkāršo strukturālo modeli ir būtiska atkāpe no iepriekšējiem pētījumiem,” saka Mee. “Mēs esam pārliecināti, ka liela mēroga komercializācija ir pie apvāršņa.”
nākotnes izredzes
Nākotnē Mei plāno izmantot pašreizējā pētījumā izstrādātos ieskatus par zirnekļa zīda šķiedru izturību un izturību, lai izstrādātu ģenētiski modificētus zīdtārpiņus, kas ražo zirnekļa zīda šķiedras no dabīgiem un inženierijas materiāliem. Aminoskābes.
“Vairāk nekā simts inženierijas veidā izstrādātu aminoskābju ieviešana nodrošina neierobežotu potenciālu zirnekļa zīda šķiedrām,” saka Mei.
Atsauce: Junpeng Mi, Yizhong Zhou, Sanyuan Ma, Xingping Zhou, Shouying Xu, Yuchen Yang, Yuan Sun, Qingyou Xia, Hongnian Zhu, Suyang Wang “Augsti stipra un īpaši izturīga vesela zirnekļa zīda šķiedra, kas vērta no ģenētiski modificēta zīdtārpiņa” , Luoyang Tian un Cheng Meng, 2023. gada 20. septembris, Tēma.
doi: 10.1016/j.matt.2023.08.013
Šo darbu atbalstīja Ķīnas Nacionālais dabaszinātņu fonds, Šanhajas pašvaldības zinātnes un tehnoloģiju komisijas galvenie projekti, Šanhajas pašvaldības zinātnes un tehnoloģiju komisijas starptautiskās sadarbības projekti un Centrālo universitāšu fundamentālie pētniecības fondi.
