微生物产生的纤维比钢更强比凯夫拉尔更坚韧

蜘蛛丝据说是地球上最坚固、最坚韧的材料之一。现在，圣路易斯华盛顿大学的工程师设计了淀粉样丝杂交蛋白，并在工程细菌中生产。由此产生的纤维比一些天然蜘蛛丝更坚固、更坚韧。

准确地说，这种被称为“聚合淀粉样蛋白”纤维的人造丝不是由研究人员在技术上生产的，而是由张福中实验室基因工程的细菌生产的，张福中是北京大学能源、环境与化学工程系教授。麦凯尔维工程学院。

张以前曾与蜘蛛丝合作过。2018 年，他的实验室设计了一种细菌，这种细菌产生了一种重组蜘蛛丝，其性能在所有重要的机械特性上都与天然对应物相当。

“在我们之前的工作之后，我想知道我们是否可以使用我们的合成生物学平台创造出比蜘蛛丝更好的东西，”张说。

研究团队，其中包括第一作者李敬尧，博士。Zhang 实验室的学生修改了蜘蛛丝蛋白的氨基酸序列以引入新的特性，同时保留了蜘蛛丝的一些吸引人的特征。

与重组蜘蛛丝纤维相关的一个问题——没有对天然蜘蛛丝序列进行重大修改——是需要制造 β-纳米晶体，这是天然蜘蛛丝的主要成分，有助于其强度。“蜘蛛已经找到了如何用所需数量的纳米晶体旋转纤维，”张说。“但是当人类使用人工纺纱工艺时，合成丝纤维中纳米晶体的数量通常低于其天然对应物。”

为了解决这个问题，该团队通过引入具有形成β-纳米晶体的高趋势的淀粉样序列重新设计了丝序列。他们使用三个经过充分研究的淀粉样蛋白序列作为代表创建了不同的聚合淀粉样蛋白。由此产生的蛋白质具有比蜘蛛丝更少的重复氨基酸序列，使它们更容易被工程细菌生产。最终，细菌产生了一种具有 128 个重复单元的混合聚合淀粉样蛋白。具有相似重复单元的蜘蛛丝蛋白的重组表达已被证明是困难的。

蛋白质越长，得到的纤维就越强韧。128 个重复蛋白质产生了具有千兆帕强度的纤维(用于衡量破坏固定直径纤维所需的力)，比普通钢更坚固。这种纤维的韧性(衡量断裂纤维需要多少能量的指标)高于 Kevlar 和所有以前的重组丝纤维。它的强度和韧性甚至高于一些报道的天然蜘蛛丝纤维。

与能源、环境与化学工程系教授 Young-Shin Jun 和她的博士合作。朱亚光学生，该团队证实，聚合淀粉样纤维的高机械性能确实来自β-纳米晶体的增加量。

这些新蛋白质和由此产生的纤维并不是张实验室高性能合成纤维故事的结束。他们才刚刚开始。“这表明我们可以设计生物学来生产能够击败自然界中最好的材料的材料，”张说。

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