Umělé pavoučí hedvábí připravené pomocí syntetické biologie
14.8.2023 |
Syntetická biologie kombinuje různé vědní obory, jako jsou genetika, biotechnologie, chemie, biofyzika, chemické a biologické inženýrství a další. Snahou syntetických biologů je vytvořit nové látky či biologické systémy pro výzkumné aplikace, inženýrství a lékařství. Syntetičtí biologové však svoje znalosti dokáží využít i mimo tyto výše zmiňované aplikace, jak prokázali vědci z Washingtonské univerzity v St. Louis při přípravě umělého hedvábí.
Přírodní (pravé) hedvábí je získáváno nejčastěji rozvinutím kokonu larvy motýla bource morušového (Bombyx mori). Z hedvábného vlákna se vyrábí hedvábná látka, která je velmi oblíbená díky tomu, že je hebká, příjemná na nošení, prodyšná, dobře saje pot, v létě příjemně chladí a v zimě naopak hřeje. Zdravý kokon bource morušového obsahuje až tisíce metrů hedvábného vlákna tvořeného fibroinem obaleným proteinem sericinem. Hedvábí bývá produkováno nejen larvami bource morušového, ale také včelami, vosami, mravenci, pavouky a dalšími živočichy. Přírodní hedvábí bývá v textilním průmyslu nahrazováno syntetickým hedvábím, tj. „nekonečnými“ vlákny ze syntetických polymerů či umělým hedvábím, tj. vlákny z přírodních polymerů bez omezení délky (např. z viskózy, alginátu apod.). Typická struktura přírodních hedvábných vláken, tj. sekundární struktura proteinů, vysoký počet peptidových jednotek a vysoká molekulová hmotnost, je velmi těžko napodobitelná, což omezuje výrobu a široké použití.
Mikrobiálně syntetizované materiály jsou atraktivní náhradou syntetických polymerů odvozených z ropy, jako je nylon či polyester, protože jsou obnovitelné a biologicky odbouratelné. Nedávné pokroky v syntetické biologii nabídly možnost vyrábět materiály na bázi proteinů (protein-based materials, PBM) s přesně definovanými proteinovými sekvencemi, funkčními doménami a jednotnými molekulovými hmotnostmi. Jedním z příkladů takových materiálů je pavoučí hedvábí, známé pro svou jedinečnou kombinaci vysoké pevnosti v tahu a vysokou houževnatost.
Vědci k vytvoření syntetického pavoučího hedvábí vyvinuli metodu tzv. Bi-terminální fúze fragmentů Mfp5 (angl. Mussel foot protein 5) s proteiny hedvábí. Pomocí fragmentů Mfp5 z mušlí docílili vhodného uspořádání původně vnitřně neuspořádaných proteinů (Obr. 1), přičemž se jim podařilo dosáhnout vysokých výtěžků při zachování pevnosti a houževnatosti výsledného materiálu. Metoda tvorby vláken Bi-terminální fúzí fragmentů Mfp5 byla testována s několika typy proteinů, nerozpustných i ve vodě rozpustných, připravených produkcí v transformovaných buňkách bakterie E. coli NEB10β. Organizace proteinů pomocí Bi-terminální fúze fragmentů Mfp5 významně zvýšila zarovnání β-nanokrystalů a intermolekulární interakce podporované interakcemi kation-π a π-π mezi terminálními fragmenty. Tento přístup samointeragujících vnitřně neuspořádaných proteinů lze aplikovat při přípravě široké škály materiálů na bázi proteinů.
Obr. 1: Schémata spřádání btMfp5-fúzovaného proteinového vlákna: a) Rekombinantní proteiny na koncích fúzované s fragmenty Mfp5; b) schéma změny struktury proteinů během spřádání vláken, vytvoření sekundární struktury beta-skládaných listů (angl. beta-sheets) spojených btMfp5 (angl. bi-terminal Mussel foot protein 5). Převzato z Li et al. (2023).
V souhrnu práce prokázala, že Bi-terminální fúze fragmentů Mfp5 posílila mechanické vlastnosti mnoha rekombinantních proteinových vláken, včetně proteinů s nízkou molekulovou hmotností jako např. navržené NM-16FGA-C M (~60 kDa). Kombinace vysokého výtěžku a dobrých mechanických vlastností výsledných materiálů činí z takto upravených proteinů slibný cíl pro průmyslovou výrobu umožňující praktické aplikace např. při výrobě umělého hedvábí.