Một loại sợi mới do vi khuẩn biến đổi gen tạo ra bền hơn thép và cứng hơn Kevlar. Tơ nhện được cho là một trong những vật liệu bền nhất, dai nhất trên Trái đất.
Giờ đây, các kỹ sư tại Đại học Washington ở St.Louis đã thiết kế các protein lai tơ amyloid và sản xuất chúng trong vi khuẩn đã được biến đổi gen. Các sợi thu được bền và dai hơn một số loại tơ nhện tự nhiên.
>> Tham khảo: Hé lộ tính chiều của các mạng phức tạp thông qua hình học hyperbol.
Nghiên cứu của họ đã được công bố trên tạp chí ACS Nano.
Nói chính xác, tơ nhân tạo – được mệnh danh là sợi “polyme amyloid” – không phải do các nhà nghiên cứu sản xuất về mặt kỹ thuật, mà do vi khuẩn được biến đổi gen trong phòng thí nghiệm của Fuzhong Zhang, giáo sư tại Khoa Năng lượng, Môi trường & Kỹ thuật Hóa học. trong Trường Kỹ thuật McKelvey.
Zhang đã từng làm việc với tơ nhện trước đây. Vào năm 2018, phòng thí nghiệm của ông đã chế tạo vi khuẩn tạo ra tơ nhện tái tổ hợp với hiệu suất ngang bằng với tơ nhện tự nhiên về tất cả các tính chất cơ học quan trọng.
“Sau công việc trước đây của chúng tôi, tôi tự hỏi liệu chúng tôi có thể tạo ra thứ gì đó tốt hơn tơ nhện bằng cách sử dụng nền tảng sinh học tổng hợp của chúng tôi hay không,” Zhang nói.
>> Tham khảo: Kỷ nguyên mới của vật liệu sắt điện hai chiều.
Nhóm nghiên cứu, bao gồm tác giả đầu tiên Jingyao Li, nghiên cứu sinh tiến sĩ trong phòng thí nghiệm của Zhang, đã sửa đổi trình tự axit amin của protein tơ nhện để đưa ra các đặc tính mới, đồng thời giữ lại một số đặc điểm hấp dẫn của tơ nhện.
Một vấn đề liên quan đến sợi tơ nhện tái tổ hợp — không có sự biến đổi đáng kể so với trình tự tơ nhện tự nhiên — là nhu cầu tạo ra các tinh thể β-nano, một thành phần chính của tơ nhện tự nhiên, góp phần tạo nên độ bền của nó. Zhang cho biết: “Nhện đã tìm ra cách kéo sợi với một lượng tinh thể nano mong muốn.
“Nhưng khi con người sử dụng các quy trình kéo sợi nhân tạo, lượng tinh thể nano trong sợi tơ tổng hợp thường thấp hơn so với sợi tơ tự nhiên.”
Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã thiết kế lại trình tự tơ tằm bằng cách đưa vào các trình tự amyloid có xu hướng hình thành tinh thể β-nano cao.
>> Tham khảo: Ô nhiễm không khí đe dọa các phương pháp kiểm soát dịch hại tự nhiên trong canh tác bền vững.
Họ đã tạo ra các protein amyloid cao phân tử khác nhau bằng cách sử dụng ba trình tự amyloid đã được nghiên cứu kỹ lưỡng làm đại diện.
Các protein thu được có trình tự axit amin lặp đi lặp lại ít hơn so với tơ nhện, khiến chúng dễ dàng được tạo ra bởi vi khuẩn đã được biến đổi gen.
Cuối cùng, vi khuẩn đã tạo ra một loại protein amyloid cao phân tử lai với 128 đơn vị lặp lại. Biểu hiện tái tổ hợp của protein tơ nhện với các đơn vị lặp lại tương tự đã được chứng minh là khó khăn.
Protein càng dài thì chất xơ thu được càng chắc và dai. Các protein lặp lại 128 lần tạo ra sợi có độ bền gigapascal (đo lực cần thiết để bẻ gãy sợi có đường kính cố định), bền hơn thép thông thường.
Độ dẻo dai của sợi (thước đo lượng năng lượng cần thiết để phá vỡ sợi) cao hơn Kevlar và tất cả các sợi tơ tái tổ hợp trước đây. Độ bền và độ dẻo dai của nó thậm chí còn cao hơn một số sợi tơ nhện tự nhiên được báo cáo.
>> Tham khảo: Các cơ chế biểu sinh để kích hoạt gen đặc hiệu của cha mẹ được giải mã.
Phối hợp với Young- Shin Jun, giáo sư tại Khoa Năng lượng, Môi trường & Kỹ thuật Hóa học, và nghiên cứu sinh tiến sĩ Yaguang Zhu của cô, nhóm nghiên cứu đã xác nhận rằng các tính chất cơ học cao của sợi amyloid polyme thực sự đến từ lượng tinh thể β-nano được tăng cường. .
Những protein mới này và các sợi thu được không phải là kết thúc của câu chuyện về sợi tổng hợp hiệu suất cao trong phòng thí nghiệm của Zhang. Họ chỉ mới bắt đầu. Zhang cho biết: “Điều này chứng tỏ rằng chúng ta có thể thiết kế sinh học để tạo ra các vật liệu đánh bại vật liệu tốt nhất trong tự nhiên”.
Công trình này chỉ khám phá ba trong số hàng nghìn trình tự amyloid khác nhau có khả năng tăng cường các đặc tính của tơ nhện tự nhiên. “Dường như có những khả năng không giới hạn trong việc chế tạo các vật liệu hiệu suất cao sử dụng nền tảng của chúng tôi,” Li nói.
“Có vẻ như bạn có thể sử dụng các trình tự khác, đưa chúng vào thiết kế của chúng tôi và cũng có được sợi quang được nâng cao hiệu suất.”
