中國科學(xué)家讓蠶“吐”蛛絲，堅韌程度是防彈衣凱夫拉材料的6倍
文章來源：賢集網(wǎng) 更新時間：2023-09-25 15:23:50
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尼龍等商業(yè)合成纖維的生產(chǎn)通常以化石燃料為原料，在生產(chǎn)過程中會向環(huán)境中排放溫室氣體以及有害的微塑料。在機械性能方面，有理論表明工程材料的拉伸強度和韌性特性是相互排斥的，即兩者不可兼得，因此目前商業(yè)合成纖維往往只能在這兩種性能之間進(jìn)行折中。 蜘蛛絲被視為一種極具吸引力的合成纖維可持續(xù)替代品，它具有復(fù)雜的特性組合，強度高、重量輕且超柔韌，是一種急需開發(fā)的戰(zhàn)略資源。 然而，“人造蜘蛛絲”想要完美復(fù)制“天然蜘蛛絲”存在諸多難點。 第一，蜘蛛絲的機械性能由其蛋白質(zhì)四級結(jié)構(gòu)決定，而蛋白質(zhì)四級結(jié)構(gòu)又受到初級蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和紡絲過程的影響。然而，人們一直未完全探明其中機制，因此無法復(fù)制天然蜘蛛絲紡絲所需的物理化學(xué)環(huán)境；第二，天然蜘蛛絲存在成分為糖蛋白和脂質(zhì)的表面層，能夠幫助其承受濕度和陽光照射，被喻為抗衰老“皮膚層”，而人造蜘蛛絲難以復(fù)制這一保護(hù)層。 基于這些因素，目前可用的大多數(shù)合成蜘蛛絲纖維與其天然對應(yīng)物相比在一個或多個方面表現(xiàn)出較差的機械性能。 中國科學(xué)家讓蠶“吐”蛛絲 中國科學(xué)家成功利用轉(zhuǎn)基因蠶合成了蜘蛛絲，其生產(chǎn)的纖維比防彈背心中使用的凱夫拉纖維堅韌六倍。這也是首個用蠶生產(chǎn)全長蜘蛛絲蛋白的研究。相關(guān)研究成果發(fā)表在《物質(zhì)》（Matter）雜志上。 之前開發(fā)的人造蜘蛛絲紡絲工藝難以在絲上涂上保護(hù)層以承受濕度和陽光照射所帶來的損害，而轉(zhuǎn)基因蠶提供了解決方案。轉(zhuǎn)基因蠶生產(chǎn)的蜘蛛絲纖維具有極高的機械性能，可用作手術(shù)縫合線。此外，蜘蛛絲纖維還可用于制造更舒適的服裝、創(chuàng)新型的防彈背心，并在智能材料、軍事、航空航天技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)工程方面有應(yīng)用前景。 轉(zhuǎn)基因蠶生產(chǎn)蜘蛛絲，兼具高強度和高韌性 科學(xué)家認(rèn)為蛛絲是合成纖維的有前景的可持續(xù)替代品。合成纖維會向環(huán)境中釋放有害的微塑料，它們通常由產(chǎn)生溫室氣體排放的化石燃料生產(chǎn)。之前開發(fā)的人造蛛絲工藝需要在蛛絲表面涂上一層糖蛋白和脂質(zhì)，類似于蜘蛛在網(wǎng)上涂上的一層抗衰老的“皮膚層”，來幫助它抵抗潮濕和光照。 轉(zhuǎn)基因蠶為這個問題提供了一個解決方案，蠶也會在自己的纖維上包裹一層類似的保護(hù)層。蠶絲是目前唯一一種大規(guī)模商業(yè)化的動物絲纖維，已擁有完善的飼養(yǎng)技術(shù)，這使得使用轉(zhuǎn)基因蠶生產(chǎn)蜘蛛絲纖維可以實現(xiàn)低成本、大規(guī)模的商業(yè)化。 為了讓蠶“吐出”蛛絲，研究人員將蛛絲蛋白基因引入蠶的DNA中，利用基因編輯技術(shù)CRISPR-Cas9和數(shù)十萬次微量注射到受精卵中的方法，在蠶的腺體中表達(dá)蛛絲蛋白。在這項研究中，顯微注射是最重大的挑戰(zhàn)之一。 論文第一作者、東華大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院博士生米俊鵬仍記得，當(dāng)他看到基因編輯成功的標(biāo)志——蠶的眼睛在熒光顯微鏡下發(fā)出紅光時，欣喜若狂。“我手舞足蹈跑到孟清教授的辦公室分享這個結(jié)果。那個晚上，我興奮地睡不著覺。”米俊鵬回憶。 研究還需要對轉(zhuǎn)基因蛛絲蛋白進(jìn)行定位修飾，使其能夠與蠶腺體中的蛋白質(zhì)正常相互作用，確保纖維能夠正常紡出。為此，該團(tuán)隊開發(fā)了蠶絲的最小基本結(jié)構(gòu)模型。“我們在研究中引入的定位概念，并提出最小結(jié)構(gòu)模型，這些代表了與以往研究的重大差異。我們相信大規(guī)模商業(yè)化即將到來。”米俊鵬說。 他表示，新研究中生產(chǎn)的蛛絲纖維具有極高的機械性能，具有重要的應(yīng)用前景。例如，它們可用作外科縫合線，滿足全球每年超過3億次手術(shù)的需求。蜘蛛絲纖維還可用于制造更舒適的服裝和新型防彈背心，并在智能材料、軍事、航空航天技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)工程中得到應(yīng)用。 研究結(jié)果顯示，這些由蠶“吐出”的蜘蛛絲蛋白纖維表現(xiàn)出了驚人的抗拉強度和驚人的韌性。其韌性達(dá)319兆焦耳每立方米，比美國杜邦公司研發(fā)的可用于制作防彈衣的凱夫拉材料高6倍。 高強度碳纖維的抗拉強度可達(dá)3000兆帕以上，這種新型蜘蛛絲蛋白纖維的抗拉強度為1299兆帕，雖然在抗拉強度方面，蜘蛛絲蛋白纖維目前還比不上碳纖維，但通過改進(jìn)，其抗拉強度或許也能夠達(dá)到或者超過碳纖維。 轉(zhuǎn)基因蠶吐出的蛛絲蛋白纖維。圖片來自：米俊鵬 轉(zhuǎn)基因蠶吐出的蛛絲蛋白纖維。圖片來自：米俊鵬 家蠶的絲腺。圖片來自：米俊鵬 下一步，研究人員計劃利用對當(dāng)前研究中蜘蛛絲纖維的韌性和強度的理解，開發(fā)可以產(chǎn)生天然和工程氨基酸蛛絲纖維的轉(zhuǎn)基因蠶。“一百多種工程氨基酸的引入能為工程蛛絲纖維提供無限潛力。”米俊鵬說。 碳纖維是一種脆性材料，而這種新研發(fā)的蜘蛛絲蛋白纖維，不僅韌性極強，抗拉強度也較高，也難怪研究人員聲稱這種新材料或許能將太空電梯變?yōu)楝F(xiàn)實。 原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_533164.html 來源：賢集網(wǎng) 著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請注明出處。 |
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