Wissenschaftler sind seit langem fasziniert von den bemerkenswerten Eigenschaften von Spinnenseide, die stärker als Stahl und dennoch unglaublich leicht und flexibel ist. Jetzt hat Fuzhong Zhang, Professor für Energie-, Umwelt- und Chemieingenieurwesen an der McKelvey School of Engineering der Washington University in St. Louis, einen bedeutenden Durchbruch bei der Herstellung synthetischer Spinnenseide erzielt und damit den Weg für eine neue Ära der Nachhaltigkeit geebnet Bekleidungsproduktion.
Seit der Entwicklung rekombinanter Spinnenseide im Jahr 2018 unter Verwendung von Bakterien arbeitet Zhang daran, die Ausbeute an Seidenfäden zu erhöhen, die aus Mikroben hergestellt werden, während die wünschenswerten Eigenschaften einer erhöhten Festigkeit und Zähigkeit erhalten bleiben.
Höhere Erträge werden entscheidend sein, wenn synthetische Seide in alltäglichen Anwendungen eingesetzt werden soll, insbesondere in der Modebranche, wo erneuerbare Materialien sehr gefragt sind, um die Umweltauswirkungen einzudämmen, die durch die Herstellung von geschätzt 100 Milliarden Kleidungsstücken und 92 Millionen Tonnen Abfall pro Jahr entstehen .
Mit Hilfe eines konstruierten Muschelfußproteins hat Zhang neue Spinnenseiden-Fusionsproteine entwickelt, die als bi-terminal Mfp fusioned Silks (btMSilks) bezeichnet werden. Die mikrobielle Produktion von btMSilk hat eine achtmal höhere Ausbeute als rekombinante Seidenproteine, und die btMSilk-Fasern haben eine wesentlich verbesserte Festigkeit und Zähigkeit, während sie leicht sind. Dies könnte die Bekleidungsherstellung revolutionieren, indem es eine umweltfreundlichere Alternative zu traditionellen Textilien bietet. Die Ergebnisse wurden am 14. April veröffentlicht Naturkommunikation.
„Die herausragenden mechanischen Eigenschaften natürlicher Spinnenseide kommen von ihrer sehr großen und sich wiederholenden Proteinsequenz“, sagte Zhang. „Allerdings ist es extrem schwierig, schnell wachsende Bakterien dazu zu bringen, viele sich wiederholende Proteine zu produzieren.
„Um dieses Problem zu lösen, brauchten wir eine andere Strategie“, sagte er. „Wir haben nach ungeordneten Proteinen gesucht, die genetisch mit Seidenfragmenten fusioniert werden können, um die molekulare Interaktion zu fördern, sodass starke Fasern hergestellt werden können, ohne große repetitive Proteine zu verwenden. Und wir haben sie tatsächlich genau hier in einer Arbeit gefunden, die wir bereits an Muscheln durchgeführt haben Fußproteine.“
Muscheln scheiden diese spezialisierten Proteine an ihren Füßen aus, um an Dingen zu haften. Zhang und seine Mitarbeiter haben Bakterien entwickelt, um sie zu produzieren und sie als Klebstoffe für biomedizinische Anwendungen zu entwickeln. Wie sich herausstellt, sind Muschelfußproteine auch kohäsiv, wodurch sie auch gut aneinander haften können. Indem er Muschelfuß-Proteinfragmente an die Enden seiner synthetischen Seidenproteinsequenzen platzierte, schuf Zhang ein weniger repetitives, leichtes Material, das mindestens doppelt so stark ist wie rekombinante Spinnenseide.
Die Ausbeute an Zhangs Material stieg im Vergleich zu früheren Studien um das Achtfache und erreichte 8 Gramm Fasermaterial aus 1 Liter Bakterienkultur. Diese Ausgabe stellt genug Stoff dar, um die Verwendung in realen Produkten zu testen.
„Das Schöne an der synthetischen Biologie ist, dass wir viel Platz zum Erkunden haben“, sagte Zhang. „Wir können Sequenzen aus verschiedenen natürlichen Proteinen ausschneiden und einfügen und diese Designs im Labor auf neue Eigenschaften und Funktionen testen. Dadurch werden Materialien der synthetischen Biologie viel vielseitiger als herkömmliche Materialien auf Erdölbasis.“
In der kommenden Arbeit werden Zhang und sein Team die einstellbaren Eigenschaften ihrer synthetischen Seidenfasern erweitern, um die genauen Anforderungen jedes spezialisierten Marktes zu erfüllen.
„Da unsere Kunstseide aus billigem Ausgangsmaterial unter Verwendung künstlich hergestellter Bakterien hergestellt wird, stellt sie einen erneuerbaren und biologisch abbaubaren Ersatz für aus Erdöl gewonnene Fasermaterialien wie Nylon und Polyester dar“, sagte Zhang.
Mehr Informationen:
Jingyao Li et al, Bi-terminale Fusion von intrinsisch ungeordneten Muschelfußproteinfragmenten erhöht die mechanische Festigkeit von Proteinfasern, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-37563-0