Silk fibers produced by transgenic silkworms. Credit: Junpeng Mi / Шелковые волокна, произведенные трансгенными шелкопрядами. Автор: Чжунпен Ми
Ученые в Китае синтезировали паутинный шелк из генетически модифицированных шелкопрядов, произведя волокна в шесть раз прочнее кевлара, используемого в пуленепробиваемых жилетах.
Исследование, опубликованное 20 сентября в журнале Matter, является первым, в котором успешно получены полноразмерные белки шелка пауков с использованием шелкопрядов. Полученные результаты демонстрируют технологию, которая может быть использована для производства экологически чистой альтернативы синтетическим коммерческим волокнам, таким как нейлон.
«Шелк тутового шелкопряда в настоящее время является единственным животным шелковым волокном, коммерциализируемым в больших масштабах с использованием хорошо зарекомендовавших себя методов выращивания», — сказал Ми. «Следовательно, использование генетически модифицированных шелкопрядов для производства волокна паучьего шелка обеспечивает недорогую крупномасштабную коммерциализацию».
Ученые рассматривали паучий шелк как заманчивую экологичную альтернативу синтетическим волокнам, которые могут выделять вредные микропластики в окружающую среду и часто производятся из ископаемого топлива, вызывающего выбросы парниковых газов. Но обращение к природе в поисках альтернатив сопряжено с определенными трудностями. Ранее разработанные способы прядения искусственного паучьего шелка были направлены на нанесение поверхностного слоя гликопротеинов и липидов на шелк, чтобы помочь ему противостоять влажности и воздействию солнечных лучей — омолаживающего «кожного слоя», который пауки наносят на свою паутину. Генетически модифицированные шелкопряды предлагают решение этой проблемы, говорит Ми, поскольку шелкопряды покрывают свои собственные волокна аналогичным защитным слоем.
«Паутинный шелк является стратегическим ресурсом, который срочно нуждается в исследовании», — сказал Чжунпэн Ми, кандидат наук в Колледже биологических наук и медицинской инженерии Университета Дунхуа и первый автор исследования.
«Исключительно высокие механические характеристики волокон, полученных в ходе этого исследования, открывают значительные перспективы в этой области. Этот тип волокон может быть использован в качестве хирургических швов, удовлетворяя глобальный спрос, превышающий 300 миллионов процедур в год».
Волокна паучьего шелка также могут быть использованы для создания более удобной одежды и инновационных типов пуленепробиваемых жилетов, говорит Ми, и они могут найти применение в «умных материалах», военных, аэрокосмических технологиях и биомедицинской инженерии.
Чтобы получить паучий шелк из тутового шелкопряда, Ми и его команда внедрили гены белка паучьего шелка в ДНК тутового шелкопряда, чтобы он экспрессировался в их железах, используя комбинацию технологии редактирования генов CRISPR-Cas9 и сотен тысяч микроинъекций в оплодотворенные яйца тутового шелкопряда.
Микроинъекции представляли собой «одну из самых серьезных проблем» в исследовании, сказал Ми, но когда он увидел, что глаза шелкопрядов светятся красным под флуоресцентным микроскопом — признак того, что редактирование генов прошло успешно, — он был вне себя от радости.
Исследователям также необходимо было выполнить модификации «локализации» трансгенных белков шелка паука, чтобы они должным образом взаимодействовали с белками в железах тутового шелкопряда, гарантируя, что волокно будет правильно скручено. Чтобы руководить модификациями, команда разработала «минимальную базовую структурную модель» шелка тутового шелкопряда.
«Концепция «локализации», представленная в этой диссертации, наряду с предложенной минимальной структурной моделью, представляет собой значительный отход от предыдущих исследований», — говорит Ми. «Мы уверены, что крупномасштабная коммерциализация уже на горизонте».
В будущем Mi планирует использовать информацию о прочности волокон паучьего шелка, полученную в ходе текущего исследования, для разработки генетически модифицированных шелкопрядов, которые производят волокна паучьего шелка как из натуральных, так и из модифицированных аминокислот.
«Введение более ста модифицированных аминокислот открывает безграничный потенциал для создания искусственных волокон паучьего шелка», — говорит Ми.
фото: Image of forced reel silk. Credit: Junpeng Mi
More information: Qing Meng, High-strength and ultra-tough whole spider silk fibers spun from transgenic silkworms, Matter (2023). DOI: 10.1016/j.matt.2023.08.013. www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(23)00421-6
Journal information: Matter
Provided: by Cell Press
+ Explore further: Re-spun silkworm silk is 70% stronger than spider silk