工程科学家使用细菌来创造比以前更强大更拉伸的生物合成丝线

蜘蛛丝是自然界中最强和最坚韧的材料之一，与一些钢材合金一样坚固，韧性甚至比防弹凯夫拉尔还要大。蜘蛛丝无与伦比的强度和韧性组合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装。不幸的是，由于蜘蛛的领土和自相残杀的性质，它们的丝绸不可能大规模生产，因此实际应用尚未实现。

科学家们已经能够制造出某种形式的合成蜘蛛丝，但却无法设计出包含大部分(如果不是全部)天然丝绸特性的材料。

到现在。

位于圣路易斯华盛顿大学的工程与应用科学学院的研究人员已经设计出能够生产生物合成蜘蛛丝的细菌，其性能与所有重要措施中的天然对应物相当。他们发现了一些令人兴奋的未来可能性。

这项于8月20日星期一发表在Biomacromolecules上的新研究表明，蜘蛛丝的拉伸强度和韧性与其分子量保持正相关 - 分子越大，丝绸越强 - 即使在合成丝中也是如此，重量接近两倍以前的记录保持者。

“人们已经知道这种相关性，但只知道较小的蛋白质。我们发现即使在这么大的尺寸下，仍然存在很好的相关性，”工程与应用科学学院副教授张福忠说。

创造生物合成蜘蛛丝的最大历史挑战之一就是创造了足够大的蛋白质。事实上，挑战是如此之大，它需要一种全新的方法。

“我们从其他人做过的事情开始，制作一个基因重复序列，”张实验博士生克里斯托弗鲍文说。在蜘蛛序列中模拟DNA序列，所述蜘蛛负责产生丝蛋白。理论上，序列的重复次数越多，得到的蛋白质越大。

然而，在DNA序列达到一定大小后，“细菌无法处理它，它们将序列切成小块，”Bowen说。这是以前努力中多次遇到的问题。为了解决这个长期存在的障碍，Bowen和合着者在丝绸DNA上添加了一个简短的基因序列，促进了所得蛋白质之间的化学反应，将它们融合在一起形成一种更大的蛋白质，比以前产生的更大，以前净化过。

“我们制造的蛋白质基本上是以前任何人能够做到的两倍，”鲍文说。他们的丝蛋白链是556 kDa。以前，最大的生物合成蜘蛛丝蛋白质是285千道尔顿(kDa)，是一种原子测量单位。即使是天然的拉丝丝蛋白也往往在370 kDa左右，尽管有一些更大的异常值。

Bowen及其合着者随后将其特别大的生物合成丝蛋白纺成约为人类头发直径十分之一的纤维并测试其机械性能。这种生物合成丝是第一个复制天然蜘蛛丝的方法：拉伸强度(断裂纤维所需的最大应力)，韧性(断裂前纤维吸收的总能量)，以及其他机械参数如弹性模量和延展性。

展望未来，张的实验室正致力于定位生物合成丝纤维，以取代工业中使用的无数石油基合成纤维。

“我们将继续致力于通过简化处理，减少所需化学品的数量，提高稳健性和效率，使流程更具可扩展性和经济性，”张说。

张集团还计划进一步探索新方法的局限性。除了生产第一种生物合成丝纤维以完全复制天然蜘蛛丝的性能外，他们的工作强烈表明，如果能够生产更大的蛋白质，这些纤维的强度和韧性将继续增加。