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Faça o que as aranhas não podem fazer -- Rota de Síntese de Fibra de Seda de Aranha Super Artificial

Hora:2021-03-08 Exitos:

Na natureza, aranhas podem criar as fibras de seda mais fortes do mundo, e eles podem até criar fibras com melhores propriedades mecânicas do que fibras de seda artificiais a qualquer momento e sob qualquer circunstância. As habilidades das aranhas e a seda que elas criam há muito tempo são do interesse dos pesquisadores. Hoje, cientistas desenvolveram fibras artificiais de seda de aranha que são usadas em uma variedade de aplicações, de têxteis de alto desempenho a componentes sustentáveis ​​em equipamentos e máquinas esportivas. O método de produção de seda natural de aranha depende principalmente da reprodução agrícola de aranhas para coletar a seda, mas este modo de coleta ainda precisa de industrialização e eficiência. Por outro lado, fibras sintéticas de seda de aranha ainda enfrentam alguns desafios, como as proteínas da seda de aranha (spidroins) deve ser produzido em um host estrangeiro. Embora os cientistas tenham identificado uma série de hospedeiros adequados, como alguns microrganismos procarióticos, eucariotos, plantas, e até animais transgênicos, seus rendimentos são baixos, e as proteínas de seda de aranha que eles produzem têm baixa solubilidade em água. Embora o processo de fiação subsequente possa realmente fazer uma grande melhoria no método de fabricação e na estrutura da fibra sintética, suas propriedades mecânicas ainda são inadequadas em comparação com a fibra de seda natural pura. Portanto, Jan Johansson e Anna Rising do Instituto Karolinka na Suécia identificaram os principais fatores que afetam as propriedades das fibras de seda de aranha, e comparando as vantagens e desvantagens de diferentes soluções, eles desenvolveram um roteiro para sintetizar novas fibras de seda de aranha super artificiais. Suas observações prospectivas foram publicadas na última edição da revista ACS Nano, intitulado "Fazendo o que as aranhas não conseguem - um roteiro para as fibras artificiais de seda supremas."




Em geral, cada aranha pode criar sete tipos diferentes de fibras de seda, cada um dos quais tem diferentes propriedades mecânicas. Essas fibras de seda são compostas principalmente de proteínas de seda de aranha, que compartilham domínios terminais globulares de regiões repetidas contendo 110-130 aminoácidos. Esses domínios terminais nas proteínas da seda são únicos e regulam a solubilidade da seda e controlam a formação da fibra, enquanto os domínios de repetição controlam as propriedades mecânicas da seda. Entre eles, a fibra de seda mais dura (Dragline) é composto principalmente de proteína de seda ampular (MASPs), e sua região de repetição contém principalmente segmento poli-Ala iterativo e região de repetição rica em glicina (Gly). Nas glândulas de seda das aranhas, a concentração de proteína da seda é tão alta quanto 50% (W / V). Embora ainda não tenhamos entendido totalmente como a proteína da seda da aranha permanecerá em uma concentração tão alta e não produz sedimentos, mas hoje é conhecido, o modo de armazenamento é principalmente para repetir a área de uma forma aleatória enrolada armazenada dentro das glândulas de seda, e o domínio terminal da hélice alfa pode fazer a proteína da seda para manter certa hidrofilicidade, é anexado principalmente para ajudar na camada superficial do armazenamento interno da gema-da-seda. A síntese de fibras de seda de aranha ocorre principalmente no tubo de entrega, incluindo a diminuição do valor do pH e o aumento da tensão de cisalhamento relativa, que leva à pultrusão e, finalmente, à formação da proteína da seda da aranha. O que é mais interessante é que os domínios terminais N e C das proteínas da seda da aranha agem como "lock and trigger" durante a síntese. O domínio n-terminal se dimeriza em pH mais baixo, de uma forma que imita o acoplamento da rede, travando a proteína da seda da aranha. Sob a influência do valor de pH e tensão de cisalhamento, a região C-terminal formada β-lamellar nucleus, que promoveu a transformação da região de repetição de aminoácidos em &betanúcleo lamelatrancar e acionarte, isto "lock and trigger" mecanismo transforma a proteína de seda líquida em uma fibra sólida.



Os principais componentes da fibrina na seda da aranha


Vários fatores importantes que afetam as fibras de seda de aranha
A proteína macroampular da seda é anisotrópica na estrutura em nanoescala, e é laminado β-núcleos lamelares formam um domínio cristalino (β-cristal), que está embutido na matriz amorfa. Sua principal função é controlar a resistência à tração das fibras de seda de aranha. Esta estrutura é a chave para determinar suas propriedades mecânicas. Embora a relação específica entre o grau de cristalização e as propriedades mecânicas não seja clara, verifica-se que o volume do domínio do cristal em si desempenha um papel decisivo na obtenção de alta resistência à tração, reduzindo o poder e a resistência por meio de simulação cinética.
As proteínas da seda são proteínas secretoras, então eles devem passar pelo omento endoplasmático para entrar na via secretora. A necessidade de transportar proteínas da seda para o omento endoplasmático impede o uso de cadeias laterais que medeiam as reações entre β-segmentos e camadas cristalinas, que é uma consideração importante para fibras de seda sintética.
A polialanina é significativamente melhor do que a alanina única na repelência à água e na fabricação de fibras de seda. Previsões do banco de dados Zipper com base em poliaminoácidos (Poly-Ala, Poly-Val, Poly-Ile) indicam que mais poliaminoácidos repelentes de água realmente produzem mais estáveis β-interações nucleares lamelares. A razão pela qual a aranha escolheu não usar esses dois aminoácidos como a proteína da seda macroampular pode ser devido à sua repelência à água relativamente forte e ao fato de que tais regiões repetitivas podem ficar presas ao passar pelo omento endoplasmático. Of course, a tecnologia de hoje permitiu a síntese de fibras artificiais de seda de aranha em sistemas eucarióticos, ligando cadeias de aminoácidos como valina e isoleucina a outras cadeias e expressando-as diretamente dentro da célula, evitando a necessidade de cruzar o retículo endoplasmático. contudo, a alta hidrofobicidade dessas duas cadeias de aminoácidos torna difícil para o hospedeiro produzir fibÉ claro�cleo. Of course, fazer fibras artificialmente com solventes orgânicos e fiação pode reduzir os requisitos de solubilidade, mas também exigiria métodos sintéticos mais sofisticados.

Roteiro para sintetizar novas fibras de seda de aranha super artificiais
Com base em teorias e métodos conhecidos, os autores resumiram um roteiro para a síntese de fibras de seda de aranha super artificiais. Primeiro, os métodos usados ​​em bioinformática (em sílico) pode ser usado para sintetizar poliaminoácido (poly-val, poli-ile) repetir regiões e β-cristais de variantes que aumentam o espaço de sequência. Esses cristais resultantes podem, por sua vez, ser avaliados quanto à estabilidade e dureza por simulações de dinâmica molecular. Uma vez que as próprias aranhas são incapazes de fazer seda usando materiais não polares que são estendidos por longas distâncias, o elemento recém-introduzido, sem dúvida, trará algumas vantagens na seda sintética. É claro, as regiões repetidas formadas pelo novo sintetizado β-os cristais também precisam ser avaliados por simulações de dinâmica molecular e testes experimentais. Finalmente, as novas fibras de seda sintéticas produzidas por fiação podem ser testadas quanto às propriedades mecânicas e estruturas para comparar com as fibras de seda produzidas por aranhas.



Roteiro para sintetizar novas fibras de seda de aranha super artificiais


Os links da tese: https://doi.org/10.1021/acsnano.0c08933

(fonte: Fronteiras na ciência de polímeros)