211service.com
Fremstilling af edderkoppe-styrke materialer
Forskere har forsøgt at lave kunstig edderkoppesilke - et let, hårdere end stålmateriale, der kunne have utallige industrielle anvendelser - i årtier. I et vigtigt skridt mod det mål har forskere ved Tufts University skabt gensplejsede mikrober, der producerer flere af de proteiner, der er nødvendige for at fremstille edderkoppesilke end nogensinde før.
Mikrobe silke: Denne fiber er lavet af højkvalitets edderkoppesilkeproteiner produceret af genetisk modificerede bakterier.
Dragline silke – den type edderkopper bruger til fælge og eger på deres spind – er hårdere og langt lettere end stål. Konstruerede bakterier kan producere de proteiner, der er nødvendige for at syntetisere denne silke, som er spundet sammen til fibre. Men tidligere bestræbelser på at fremstille edderkoppesilke ved hjælp af bakterier er blevet hæmmet af flere årsager. For det første har forskere haft et ufuldstændigt billede af dragline silke-gensekvensen. Og for det andet har de haft begrænset succes med at modificere bakterierne til at producere nok af proteinerne.
David Kaplan , formand for den biomedicinske ingeniørafdeling ved Tufts University, har været banebrydende i anvendelsen af silkeormsilke i medicinsk udstyr, biologisk nedbrydelig elektronik, optiske enheder og klæbemidler. Han mener, at edderkoppesilke, som er stærkere end silkeormsorten, kunne åbne op for nye anvendelser, men siger, at det ikke er blevet udforsket så meget, fordi vi ikke har haft nok materiale. Edderkopper er aggressive og territoriale og kan derfor ikke dyrkes som silkeorme.
Bioingeniører har kun haft beskeden succes med at få mikrober til at lave edderkoppesilkeproteiner. Kemigigant DuPont forsøgte uden held at udvikle et bakterieproduceret silkeprodukt i 1990'erne. En del af problemet er, at edderkoppesilke er lavet af et meget stort protein med en meget gentagen genetisk sekvens, hvilket gør det svært at afkode, siger Christopher Voigt , professor i farmaceutisk kemi ved University of California, San Francisco.
Sidste år producerede forskere, der brugte nye sekventeringsteknologier, den første komplette genetiske sekvens for edderkoppesilke. Før det blev forskere tvunget til at bruge afkortede silkegener, og fibre fremstillet ved hjælp af disse gener var ikke så stærke og seje som naturlig silke.
Selv med den fulde dragline silke gensekvens er det en udfordring at producere kunstsilke. At lave nok af proteinet kræver en større mængde udgangsmateriale, end bakterierne naturligt indeholder. I samarbejde med forskere ved Korea Advanced Institute of Science and Technology i Daejeon og Seoul National University tilføjede Kaplan det fulde silkegen til E coli og ændrede derefter bakteriernes proteinfremstillingsvej, så den fremstiller tilstrækkelige mængder af de aminosyrer, der er nødvendige for at muliggøre silkeproduktion. Tidligere har manipulerede bakterier kun været i stand til at producere titusvis af milligram af proteinet per liter. Kaplans E coli udbytte et til to gram per liter.
Det har de tydeligt vist E coli kan lave disse store proteiner, og konstrueret dem til at have ressourcerne til at gøre det, siger Randy Lewis , professor i molekylærbiologi ved University of Wyoming. Lewis forudser, at det vil være muligt at bruge et bakteriesystem til at producere kilogram-mængder af kunstig edderkoppesilke inden for få år.
Kaplan siger, at det er hans plan. Vi vil gerne gøre det til en kontinuerlig produktionsproces, siger han.
Kaplan siger, at det, der er brug for nu, er mere energieffektive metoder til at gøre proteinerne til fibre. Ved at bruge spinningmetoder, der ligner dem, der bruges til at fremstille polymerfibre såsom polyester, har hans gruppe skabt fibre fra holdets proteiner med egenskaber, der kan sammenlignes med naturlig dragline-silke med hensyn til styrke, elasticitet og sejhed. Men fordi edderkoppesilkeproteiner er kræsne og uopløselige i vand, kræver det højtemperaturbehandling og skrappe opløsningsmidler at spinde dem til fibre.
Fibrene tager enormt meget energi at sætte sammen, siger Kaplan. Materialeforskere vil gerne lave silkefibre på den måde, edderkopper gør: ved omgivende temperaturer, uden skrappe opløsningsmidler.
En ny tilgang til problemet forfølges af Luke Lee , direktør for det molekylære nanoteknologicenter ved University of California, Berkeley. Han designer spindesystemer, der inkorporerer mikrofluidkanaler designet til at give salt- og opløsningsmiddelgradienter, der findes i edderkoppekirtler. Et firma ringede Refaktorerede materialer , grundlagt af studerende fra Lees og Voigt's, arbejder også på spinning-problemet.