211service.com
Materialen met spinnenkracht maken
Onderzoekers proberen al tientallen jaren kunstmatige spinzijde te maken - een lichtgewicht materiaal dat sterker is dan staal en dat talloze industriële toepassingen zou kunnen hebben. In een belangrijke stap in de richting van dat doel hebben onderzoekers van Tufts University genetisch gemanipuleerde microben gecreëerd die meer van de eiwitten produceren die nodig zijn om spinnenzijde te maken dan ooit tevoren.
Microbe zijde: Deze vezel is gemaakt van hoogwaardige spin-zijde-eiwitten geproduceerd door genetisch gemodificeerde bacteriën.
Dragline-zijde, het type dat spinnen gebruiken voor de velgen en spaken van hun web, is sterker en veel lichter dan staal. Gemanipuleerde bacteriën kunnen de eiwitten produceren die nodig zijn om deze zijde te synthetiseren, die samen wordt gesponnen om vezels te maken. Eerdere pogingen om spinnenzijde te maken met behulp van bacteriën zijn echter om verschillende redenen verlamd. Ten eerste hebben onderzoekers een onvolledig beeld gekregen van de gensequentie van dragline-zijde. En ten tweede hebben ze beperkt succes gehad bij het aanpassen van de bacteriën om voldoende eiwitten te produceren.
David Kaplan , voorzitter van de afdeling biomedische technologie aan de Tufts University, is een pionier in de toepassing van zijderupszijde in medische apparaten, biologisch afbreekbare elektronica, optische apparaten en kleefstoffen. Hij gelooft dat spinzijde, die sterker is dan de zijderupssoort, nieuwe toepassingen zou kunnen openen, maar zegt: het is niet zo veel onderzocht omdat we niet genoeg materiaal hadden. Spinnen zijn agressief en territoriaal en kunnen dus niet worden gekweekt zoals zijderupsen.
Bio-ingenieurs hebben slechts bescheiden succes gehad bij het verkrijgen van microben om spin-zijde-eiwitten te maken. Chemische reus DuPont in de jaren negentig tevergeefs geprobeerd een door bacteriën geproduceerd zijdeproduct te ontwikkelen. Een deel van het probleem is dat spinnenzijde is gemaakt van een zeer groot eiwit met een zeer repetitieve genetische sequentie, waardoor het moeilijk te decoderen is, zegt Christopher Voigt , hoogleraar farmaceutische chemie aan de Universiteit van Californië, San Francisco.
Vorig jaar produceerden onderzoekers die nieuwe sequentietechnologieën gebruikten de eerste volledige genetische sequentie voor spinnenzijde. Daarvoor werden onderzoekers gedwongen om afgeknotte zijdegenen te gebruiken, en vezels die met deze genen waren gemaakt, waren niet zo sterk en taai als natuurlijke zijde.
Zelfs met de volledige gensequentie van draglinezijde is het produceren van kunstzijde een uitdaging. Om voldoende van het eiwit te maken, is een grotere hoeveelheid uitgangsmateriaal nodig dan de bacteriën van nature bevatten. In samenwerking met onderzoekers van het Korea Advanced Institute of Science and Technology in Daejeon en Seoul National University, heeft Kaplan het volledige zijde-gen toegevoegd aan E coli en veranderde vervolgens de eiwitproductieroute van de bacteriën, zodat het voldoende hoeveelheden van de aminozuren maakt die nodig zijn om zijdeproductie mogelijk te maken. Voorheen waren gemanipuleerde bacteriën slechts in staat om tientallen milligrammen van het eiwit per liter te produceren. Kaplan's E coli opbrengst één tot twee gram per liter.
Dat hebben ze duidelijk laten zien E coli kan deze grote eiwitten maken en ze zo hebben gemanipuleerd dat ze de middelen hebben om het te doen, zegt Randy Lewis , hoogleraar moleculaire biologie aan de Universiteit van Wyoming. Lewis voorspelt dat het binnen enkele jaren mogelijk zal zijn om met een bacterieel systeem kilogrammen kunstmatige spinrag te produceren.
Kaplan zegt dat dat zijn plan is. We willen er graag een continu productieproces van maken, zegt hij.
Kaplan zegt dat wat nu nodig is, zijn meer energie-efficiënte methoden om de eiwitten tot vezels te maken. Met behulp van spinmethoden die vergelijkbaar zijn met die voor het maken van polymeervezels zoals polyester, heeft zijn groep vezels gemaakt van de eiwitten van het team met eigenschappen die vergelijkbaar zijn met natuurlijke dragline-zijde in termen van sterkte, elasticiteit en taaiheid. Omdat spin-zijde-eiwitten echter kieskeurig en onoplosbaar zijn in water, vereist het spinnen tot vezels verwerking bij hoge temperaturen en agressieve oplosmiddelen.
De vezels kosten enorm veel energie om samen te stellen, zegt Kaplan. Materiaalwetenschappers willen zijdevezels maken zoals spinnen dat doen: bij omgevingstemperatuur, zonder agressieve oplosmiddelen.
Een nieuwe benadering van het probleem wordt nagestreefd door Luke Lee , directeur van het centrum voor moleculaire nanotechnologie aan de University of California, Berkeley. Hij ontwerpt spinsystemen met microfluïdische kanalen die zijn ontworpen om de zout- en oplosmiddelgradiënten in spinklieren te bieden. Een bedrijf genaamd Gereviseerde materialen , opgericht door studenten van Lee's en Voigt's, werkt ook aan het spinprobleem.