作者:孟清等 来源:《物质》 发布时间:2023/9/21 16:16:56
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蚕“吐”蛛丝,比防弹背心纤维坚韧6倍

 

东华大学生物与医学工程学院教授孟清和西南大学前沿交叉学科研究院教授夏庆友团队合作,让转基因蚕“吐出”蜘蛛丝,这种纤维比防弹背心中使用的凯拉维尔纤维坚韧6倍。相关研究9月20日发表于《物质》。这是人们首次用蚕成功生产全长蜘蛛丝蛋白,研究展示了可用来制造商业合成纤维环保替代品的新技术。

科学家认为蛛丝是合成纤维的有前景的可持续替代品。合成纤维会向环境中释放有害的微塑料,它们通常由产生温室气体排放的化石燃料生产。之前开发的人造蛛丝工艺需要在蛛丝表面涂上一层糖蛋白和脂质,类似于蜘蛛在网上涂上的一层抗衰老的“皮肤层”,来帮助它抵抗潮湿和光照。

转基因蚕为这个问题提供了一个解决方案,蚕也会在自己的纤维上包裹一层类似的保护层。蚕丝是目前唯一一种大规模商业化的动物丝纤维,已拥有完善的饲养技术,这使得使用转基因蚕生产蜘蛛丝纤维可以实现低成本、大规模的商业化。

为了让蚕“吐出”蛛丝,研究人员将蛛丝蛋白基因引入蚕的DNA中,利用基因编辑技术CRISPR-Cas9和数十万次微量注射到受精卵中的方法,在蚕的腺体中表达蛛丝蛋白。在这项研究中,显微注射是最重大的挑战之一。

论文第一作者、东华大学生物科学与医学工程学院博士生米俊鹏仍记得,当他看到基因编辑成功的标志——蚕的眼睛在荧光显微镜下发出红光时,欣喜若狂。“我手舞足蹈跑到孟清教授的办公室分享这个结果。那个晚上,我兴奋地睡不着觉。”米俊鹏回忆。

研究还需要对转基因蛛丝蛋白进行定位修饰,使其能够与蚕腺体中的蛋白质正常相互作用,确保纤维能够正常纺出。为此,该团队开发了蚕丝的最小基本结构模型。“我们在研究中引入的定位概念,并提出最小结构模型,这些代表了与以往研究的重大差异。我们相信大规模商业化即将到来。”米俊鹏说。

他表示,新研究中生产的蛛丝纤维具有极高的机械性能,具有重要的应用前景。例如,它们可用作外科缝合线,满足全球每年超过3亿次手术的需求。蜘蛛丝纤维还可用于制造更舒适的服装和新型防弹背心,并在智能材料、军事、航空航天技术和生物医学工程中得到应用。

下一步,研究人员计划利用对当前研究中蜘蛛丝纤维的韧性和强度的理解,开发可以产生天然和工程氨基酸蛛丝纤维的转基因蚕。“一百多种工程氨基酸的引入能为工程蛛丝纤维提供无限潜力。”米俊鹏说。

转基因蚕吐出的蛛丝蛋白纤维。图片来自:米俊鹏

转基因蚕吐出的蛛丝蛋白纤维。图片来自:米俊鹏

家蚕的丝腺。图片来自:米俊鹏

(来源:中国科学报 冯丽妃)

相关论文信息:http://doi.org/10.1016/j.matt.2023.08.013

 
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