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  合成生物丝线面料新突破或成可持续服装的未来
2023-05-10
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  一个工程师团队发现了一种利用贻贝脚蛋白生产合成蜘蛛丝的技术,产量高,同时保持其强度和韧性。长期以来,蜘蛛丝的非凡特性一直吸引着科学家们,因为它拥有超过钢铁的强度,但又保持轻盈和灵活。圣路易斯华盛顿大学McKelvey工程学院的能源、环境和化学工程教授Fuzhong Zhang在创造合成蜘蛛丝方面取得了重大进展,为新时代的可持续服装生产打开了大门。

  自从他在2018年利用细菌设计出重组蜘蛛丝以来,Zhang一直专注于提高来自微生物的丝线的产量,同时保留其理想的特性,如增加强度和耐久性。

  如果合成丝要用于日常应用,更高的产量将是至关重要的,特别是在时尚界,可再生材料的需求量很大,以阻止每年生产约1000亿件服装和9200万吨废物所带来的环境影响。

  在一种工程化的贻贝脚蛋白的帮助下,Zhang创造了新的蜘蛛丝融合蛋白,称为双末端Mfp融合丝(btMSIlks)。微生物生产的btMSilks的产量比重组丝蛋白高8倍,而且btMSilk纤维的强度和韧性大幅提高,同时重量很轻。这可能会彻底改变服装制造,为传统纺织品提供一个更环保的替代品。这些发现最近发表在《自然通讯》杂志上。

  天然蜘蛛丝出色的机械性能来自于其非常大的重复性蛋白质序列。然而,要求快速生长的细菌产生大量的重复性蛋白质是极具挑战性的。

  “为了解决这个问题,我们需要一种不同的策略,”Zhang说,“我们去寻找无序的蛋白质,这些蛋白质可以通过基因融合到蚕丝碎片上,以促进分子间的相互作用,这样就可以在不使用大型重复性蛋白质的情况下制造出强大的纤维。而我们实际上就在这里,在我们已经进行的关于贻贝脚蛋白的工作中发现了它们。”

  贻贝在它们的脚上分泌这些专门的蛋白质来粘住东西。Zhang和他的合作者已经设计了细菌来生产它们,并将它们作为生物医学应用的黏合剂。事实证明,贻贝的脚蛋白也是有内聚力的,这使得它们也能很好地相互粘连。通过将贻贝脚蛋白片段置于其合成丝蛋白序列的末端,研究人员创造了一种重复性较低的轻质材料,其强度至少是重组蜘蛛丝的两倍。

  与过去的研究相比,新材料产量增加了8倍,从1升细菌培养物中达到8克纤维材料。这一产量构成了足够的织物,可以测试在实际产品中使用。

  Zhang表示:“合成生物学的魅力在于,我们有很多空间可以探索,我们可以从各种天然蛋白质中剪切和粘贴序列,在实验室中测试这些设计的新特性和功能。这使得合成生物学材料比传统的石油基材料更具有多样性。由于我们的合成丝是用工程细菌的廉价原料制成的,它为尼龙和聚酯等石油来源的纤维材料提供了一种可再生和可生物降解的替代品。”

  在接下来的工作中,Zhang和他的团队将扩大其合成丝纤维的可调控特性,以满足每个专业市场的确切需求。

  (来源:中国航空报)

 

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