Pomoću genetski modificiranih bakterija istraživači Zhangovog laboratorija u St. Louisu stvorili su umjetnu svilu od vlakana gigapaskalne snage

Paukova svila jedan je od najčvršćih i najtvrđih materijala na Zemlji. Sada su inženjeri sa Sveučilišta Washington u St. Louisu dizajnirali hibridne proteine amiloidne svile i proizveli ih u modificiranim bakterijama. Dobivena vlakna su jača i žilavija od nekih prirodnih paukovih svila. Njihovo istraživanje objavljeno je u časopisu ACS Nano.

Polimerna amiloidna vlakna

Umjetnu svilu, takozvana polimerna amiloidna vlakna, proizvele su genetski modificirane bakterije u laboratoriju Fuzhonga Zhanga, profesora na Odjelu za energetiku, okoliš i kemijsko inženjerstvo na Inženjerskom fakultetu McKelvey.

Zhang je i ranije radio s paukovom svilom. Godine 2018. laboratorijskim inženjeringom stvorio je bakterije koje su proizvele rekombinantnu paukovu svilu. Njene su performanse bile jednake mehaničkim svojstvima prirodne paukove svile. Potom se Zhang zapitao može li se  pomoću njegove sintetičke biološke platforme stvoriti nešto bolje od paukove svile.

Istraživači su izmijenili aminokiselinski slijed proteina paukove svile kako bi uveli nova svojstva, zadržavajući pritom neke od atraktivnih značajki paukove svile. Problem povezan s rekombinantnim vlaknima, bez značajnih preinaka u odnosu na prirodni slijed paukove svile, jest potreba za stvaranjem β-nanokristala. To je glavna komponenta prirodne paukove svile koja pridonosi njezinoj čvrstoći. 

Dulji proteini, jača vlakna

"Pauci znaju kako ispresti vlakna s poželjnom količinom nanokristala. Ali kad ljudi koriste postupke umjetnog predenja, količina nanokristala u sintetičkim svilenim vlaknima često je niža od prirodnog uzorka", objašnjava Zhang.

Kako bi riješili ovaj problem, istraživači su u postupak uveli amiloidne sekvence s velikom tendencijom stvaranja β-nanokristala. Bakterije su proizvele hibridni polimerni amiloidni protein sa 128 ponavljajućih jedinica. 

Što su proteini dulji, vlakna su jača i žilavija. Proteini sa 128 ponavljanja stvorila su vlakna gigapaskalne snage, jača od čelika. Žilavost vlakana veća je od kevlara i svih prethodnih rekombinantnih svilenih vlakana. Dapače, njegova čvrstoća i žilavost veća je i od nekih prirodnih vlakana paukove svile. 

Neograničene mogućnosti

Visoka mehanička svojstva polimernih amiloidnih vlakana proizlaze iz povećane količine β-nanokristala. No, ti novi proteini i nastala vlakna nisu kraj priče o sintetičkim vlaknima visokih performansi u Zhangovom laboratoriju. Naime, istraživači su zasad ispitali samo 3000 različitih amiloidnih sekvenci koje bi mogle poboljšati svojstva prirodne paukove svile. 

"Čini se da postoje neograničene mogućnosti inženjerstva materijala visokih performansi pomoću naše platforme. Vjerojatno možete koristiti i druge sekvence, uvrstiti ih u naš dizajn i dobiti vlakno poboljšanih performansi", kažu istraživači.