更大的蛋白质 更强的线合成蜘蛛丝

蜘蛛丝是自然界中最坚固和最坚韧的材料之一，强度与一些钢合金一样，韧性甚至大于防弹凯夫拉尔。蜘蛛丝无与伦比的强度和韧性使这种蛋白质基材料成为许多应用的理想选择，从超薄手术缝合线到防弹服。遗憾的是，由于蜘蛛的领土性和自相残杀性，它们的丝不可能大规模生产，因此实际应用尚未实现。

科学家已经能够制造某种形式的合成蜘蛛丝，但他们无法设计出包含大多数(如果不是全部)天然丝特征的材料。

直到现在。

圣路易斯华盛顿大学工程和应用科学学院的研究人员设计了一种能够产生生物合成蜘蛛丝的细菌，其性能在所有重要指标上都与天然同行相当。他们发现了一些令人兴奋的未来可能性。

8月20日周一发表在《生物大分子》杂志上的新研究表明，蜘蛛丝的拉伸强度和韧性与其分子量正相关——分子越大，丝越强——即使在合成丝中，这几乎是之前记录保持者的两倍。

“人们已经知道这种相关性，但只是较小的蛋白质。工程与应用科学学院的副教授张付中说：“我们发现，即使在这么大的范围内，仍然有很好的相关性。”。

创造合成蜘蛛丝的最大历史挑战之一是创造足够大的蛋白质。挑战如此之大，事实上，它需要一种全新的方法。

在张的实验中，博士生克里斯托弗鲍文(Christopher Bowen)说：“我们从其他人所做的开始，制作一系列基因重复序列。模拟蜘蛛序列中负责产生丝蛋白的DNA序列。理论上，该序列重复的次数越多，产生的蛋白质就越多。

然而，在DNA序列达到一定大小后，“细菌无法处理它，它们将序列切割成小片段，”鲍恩说。这个问题在之前的努力中遇到过很多次。为了解决这个长期存在的障碍，Bowen和他的合作者在蚕丝DNA中添加了一个短的基因序列，这促进了获得的蛋白质之间的化学反应，并将它们融合在一起，形成了一个更大的蛋白质，这个蛋白质更大，并且在之前进行了纯化。

“我们基本上已经制造了比以前任何人都多一倍的蛋白质，”鲍恩说。它们的丝蛋白链是556 kDa。之前最大的生物合成蜘蛛丝蛋白是285 kDa。即使是天然的丝蛋白也往往在370 kDa左右，虽然也有一些较大的异常值。

鲍恩和他的合作伙伴随后将他们的超大生物合成丝蛋白纺成直径约为人类头发十分之一的纤维，并测试其机械性能。这种合成丝是第一种复制天然蜘蛛丝的方法：拉伸强度(纤维断裂所需的最大应力)、韧性(纤维断裂前吸收的总能量)，以及弹性模量和延展性等其他力学参数。

展望未来，张的实验室致力于定位合成丝纤维，以替代工业上使用的无数石油基合成纤维。

“我们将继续通过使其更容易处理，减少所需的化学品数量，提高稳健性和效率，使该过程更具可扩展性和经济性，”张说。

张小组还计划进一步探索新方法的局限性。除了生产出第一种完全复制天然蜘蛛丝特性的合成丝纤维，他们的工作强烈表明，如果能够生产出更大的蛋白质，这些纤维的强度和韧性将继续增加。

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