Una nueva fibra, hecha por bacterias genéticamente modificadas, es más fuerte que el acero y más resistente que el Kevlar.
Se dice que la seda de araña es uno de los materiales más fuertes y resistentes de la Tierra. Ahora, los ingenieros de la Universidad de Washington en St. Louis han diseñado proteínas híbridas de seda amiloide y las han producido en bacterias modificadas genéticamente. Las fibras resultantes son más fuertes y resistentes que algunassedas de araña naturales.
Su investigación fue publicada en la revista ACS Nano.
Para ser precisos, la seda artificial, denominada fibra "amiloide polimérica", no fue técnicamente producida por investigadores, sino por bacterias que fueron manipuladas genéticamente en el laboratorio de Fuzhong Zhang, profesor del Departamento de Energía, Medio Ambiente yIngeniería Química en la Escuela de Ingeniería McKelvey.
Zhang ha trabajado con seda de araña antes. En 2018, su laboratorio diseñó bacterias que produjeron una seda de araña recombinante con un rendimiento a la par con sus contrapartes naturales en todas las propiedades mecánicas importantes.
"Después de nuestro trabajo anterior, me preguntaba si podríamos crear algo mejor que la seda de araña utilizando nuestra plataforma de biología sintética", dijo Zhang.
El equipo de investigación, que incluye al primer autor Jingyao Li, un estudiante de doctorado en el laboratorio de Zhang, modificó la secuencia de aminoácidos de las proteínas de la seda de araña para introducir nuevas propiedades, manteniendo algunas de las características atractivas de la seda de araña.
Un problema asociado con la fibra de seda de araña recombinante, sin una modificación significativa de la secuencia de la seda de araña natural, es la necesidad de crear nanocristales β, un componente principal de la seda de araña natural, que contribuye a su resistencia ". Las arañas se han dado cuentacómo hilar fibras con una cantidad deseable de nanocristales ", dijo Zhang." Pero cuando los humanos usan procesos de hilado artificial, la cantidad de nanocristales en una fibra de seda sintética es a menudo menor que su contraparte natural ".
Para resolver este problema, el equipo rediseñó la secuencia de seda mediante la introducción de secuencias de amiloide que tienen una alta tendencia a formar nanocristales β. Crearon diferentes proteínas de amiloide poliméricas utilizando tres secuencias de amiloide bien estudiadas como representantes. Las proteínas resultantes tenían menos aminoácidos repetitivos.secuencias ácidas que la seda de araña, lo que facilita su producción por bacterias modificadas. En última instancia, las bacterias produjeron una proteína amiloide polimérica híbrida con 128 unidades repetidas. La expresión recombinante de la proteína de seda de araña con unidades repetidas similares ha demostrado ser difícil.
Cuanto más larga sea la proteína, más fuerte y resistente será la fibra resultante. Las proteínas de 128 repeticiones dieron como resultado una fibra con una fuerza gigapascal una medida de cuánta fuerza se necesita para romper una fibra de diámetro fijo, que es más fuerte que la común.acero. La tenacidad de las fibras una medida de cuánta energía se necesita para romper una fibra es más alta que el Kevlar y todas las fibras de seda recombinantes anteriores. Su resistencia y tenacidad son incluso más altas que algunas fibras de seda de araña natural reportadas.
En colaboración con Young-Shin Jun, profesora del Departamento de Energía, Ingeniería Ambiental y Química, y su estudiante de doctorado Yaguang Zhu, el equipo confirmó que las altas propiedades mecánicas de las fibras amiloides poliméricas provienen de la mayor cantidad de β-anocristales.
Estas nuevas proteínas y las fibras resultantes no son el final de la historia de las fibras sintéticas de alto rendimiento en el laboratorio de Zhang. Solo están comenzando ". Esto demuestra que podemos diseñar biología para producir materiales que superen al mejor material ennaturaleza ", dijo Zhang.
Este trabajo exploró solo tres de miles de secuencias amiloides diferentes que podrían mejorar potencialmente las propiedades de la seda de araña natural. "Parece haber posibilidades ilimitadas en la ingeniería de materiales de alto rendimiento utilizando nuestra plataforma", dijo Li. "Es probable que ustedpodemos usar otras secuencias, ponerlas en nuestro diseño y también obtener una fibra de rendimiento mejorado ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Washington en St. Louis . Original escrito por Brandie Jefferson. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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