En
Sve kategorije
En

Vijesti

Učinite ono što pauci ne mogu -- Super umjetni pauk svilena vlakna sinteza put

Vrijeme:2021-03-08 Hitova:

U prirodi, pauci mogu stvoriti najjača svilena vlakna na svijetu, i čak mogu stvoriti vlakna s boljim mehaničkim svojstvima od vlakana umjetne svile u bilo kojem trenutku i pod bilo kojim okolnostima. Sposobnosti pauka i svila koju oni stvaraju dugo su zanimali istraživače. Danas, znanstvenici su razvili vlakna umjetne paukove svile koja se koriste u raznim primjenama, od tekstila visokih performansi do održivih komponenti u sportskoj opremi i strojevima. Metoda proizvodnje prirodne paukove svile uglavnom se oslanja na uzgoj pauka na farmi za prikupljanje svile, ali ovaj način prikupljanja još uvijek treba industrijalizaciju i učinkovitost. S druge strane, sintetička vlakna paukove svile i dalje se suočavaju s nekim izazovima, kao što su proteini paukove svile (spidroini) moraju biti proizvedeni u stranom domaćinu. Iako su znanstvenici identificirali niz prikladnih domaćina, kao što su neki prokariotski mikroorganizmi, eukarioti, bilje, pa čak i transgene životinje, njihovi prinosi su niski, a proteini paukove svile koje proizvode imaju nisku topljivost u vodi. Iako naknadni proces predenja doista može napraviti veliko poboljšanje u metodi proizvodnje i strukturi sintetičkih vlakana, njegova mehanička svojstva su još uvijek neadekvatna u usporedbi s čistim prirodnim svilenim vlaknima. Tako su Jan Johansson i Anna Rising s Instituta Karolinka u Švedskoj identificirali ključne čimbenike koji utječu na svojstva vlakana paukove svile, te usporedbom prednosti i nedostataka različitih rješenja, osmislili su plan za sintezu novih super umjetnih vlakana paukove svile. Njihova zapažanja okrenuta budućnosti objavljena su u najnovijem broju časopisa ACS Nano, pod naslovom "Učiniti ono što Pauci ne mogu - putokaz do vrhunskih vlakana umjetne svile."




Općenito, svaki pauk može stvoriti sedam različitih vrsta svilenih vlakana, od kojih svaki ima različita mehanička svojstva. Ova svilena vlakna sastoje se prvenstveno od proteina paukove svile, koje dijele globularne terminalne domene ponavljajućih regija koje sadrže 110-130 aminokiseline. Ove terminalne domene u proteinima svile jedinstvene su i reguliraju topljivost svile i kontroliraju stvaranje vlakana, dok domene ponavljanja kontroliraju mehanička svojstva svile. Među njima, najtvrđe svileno vlakno (Kanap koji se vuče) uglavnom se sastoji od ampularnog proteina svile (MASP-ovi), a njegova ponavljajuća regija uglavnom sadrži iterativni poli-Ala segment i ponavljajuću regiju bogatu glicinom (Gly). U svilenim žlijezdama pauka, koncentracija proteina svile je visoka kao 50% (W/V). Iako još nismo u potpunosti razumjeli kako će protein paukove svile ostati u tako visokoj koncentraciji i ne proizvodi sediment, ali danas se zna, način pohrane je uglavnom ponavljanje područja na nasumičan način zamotano pohranjeno unutar svilenih žlijezda, a terminalna domena alfa heliksa može stvoriti protein svile da zadrži određenu hidrofilnost, uglavnom je pričvršćen za pomoć u površinskom sloju unutarnjeg skladišta svile. Sinteza vlakana paukove svile uglavnom se odvija u cijevi za isporuku, uključujući smanjenje pH vrijednosti i povećanje relativnog posmičnog naprezanja, što dovodi do pultruzije i konačno stvaranja proteina paukove svile. Ono što je zanimljivije je da N i C terminalne domene proteina paukove svile djeluju kao "lock and trigger" tijekom sinteze. n-terminalna domena dimerizira pri nižem pH, na način koji oponaša spajanje mreže, zaključavanje proteina paukove svile. Pod utjecajem pH vrijednosti i posmičnog naprezanja, nastala je C-terminalna regija β-lamellar nucleus, koji je potaknuo transformaciju regije koja se ponavlja aminokiselina u β-lalamelarna jezgraNaposljetku, ovajzaključavanje i okidačer" mehanizam pretvara tekući protein svile u čvrsto vlakno.



Glavne komponente fibrina u paukovoj svili


Nekoliko ključnih čimbenika koji utječu na vlakna paukove svile
Makroampularni protein svile je anizotropan u nanorazmjernoj strukturi, i laminiran je β-lamelarne jezgre tvore kristalnu domenu (β-kristal), koji je ugrađen u amorfnu matricu. Njegova glavna funkcija je kontrolirati vlačnu čvrstoću vlakana paukove svile. Ova struktura je ključna za određivanje njezinih mehaničkih svojstava. Iako specifičan odnos između stupnja kristalizacije i mehaničkih svojstava nije jasan, utvrđeno je da sam volumen kristalne domene igra odlučujuću ulogu u postizanju visoke vlačne čvrstoće, smanjenje snage i žilavosti kroz kinetičku simulaciju.
Proteini svile su sekretorni proteini, pa moraju proći kroz endoplazmatski omentum da bi ušli u sekretorni put. Potreba za transportom proteina svile do endoplazmatskog omentuma isključuje korištenje bočnih lanaca koji posreduju u reakcijama između β-kristalni segmenti i slojevi, što je glavno razmatranje za sintetička svilena vlakna.
Polialanin je znatno bolji od pojedinačnog alanina u vodoodbojnosti i proizvodnji svilenih vlakana. Predviđanja iz baze podataka Zipper na temelju poliaminokiselina (Poli-Ala, Poly-Val, Poli-Ile) pokazuju da vodoodbojnije poliamino kiseline doista proizvode stabilnije β-lamelarne nuklearne interakcije. Razlog zašto je pauk odlučio ne koristiti ove dvije aminokiseline kao makroampularni protein svile može biti zbog njegove relativno jake vodoodbojnosti i činjenice da takve ponavljajuće regije mogu ostati zarobljene kada prođu kroz endoplazmatski omentum. Of course, današnja tehnologija omogućila je sintezu vlakana umjetne paukove svile u eukariotskim sustavima tako što vežu lance aminokiselina poput valina i izoleucina na druge lance i eksprimiraju ih izravno unutar stanice, izbjegavajući potrebu prelaska endoplazmatskog retikuluma. Međutim, visoka hidrofobnost ova dva lanca aminokiselina otežava domaćinu proizvodnju vlakana u jezgri. Of course, umjetno sNaravnovlakana s organskim otapalima i predenje moglo bi smanjiti zahtjeve za topljivost, ali bi to zahtijevalo i sofisticiranije sintetičke metode.

Plan za sintezu novih super umjetnih vlakana paukove svile
Na temelju poznatih teorija i metoda, autori su saželi putokaz za sintezu super umjetnih vlakana paukove svile. Prvi, metode koje se koriste u bioinformatici (u silikonu) može se koristiti za sintezu poliaminokiselina (poli-val, poli-ile) ponoviti regije i β-kristali iz varijanti koje povećavaju prostor sekvence. Ovi nastali kristali mogu se zauzvrat procijeniti za stabilnost i tvrdoću simulacijama molekularne dinamike. Budući da sami pauci nisu u stanju napraviti svilu koristeći nepolarne materijale koji su rastegnuti na velike udaljenosti, novouvedeni element nedvojbeno će donijeti neke prednosti u sintetičkoj svili. Naravno, ponovljene regije nastale novim sintetiziranim β-kristale je također potrebno vrednovati simulacijama molekularne dinamike i eksperimentalnim testovima. Konačno, nova sintetička svilena vlakna proizvedena predenjem mogu se testirati na mehanička svojstva i strukture kako bi se usporedili sa svilenim vlaknima koje proizvode pauci.



Plan za sintezu novih super umjetnih vlakana paukove svile


Teza povezuje: https (https)://doi.org/10.1021/acsnano.0c08933

(Izvor: Granice u znanosti o polimerima)