blogtsk
Các kỹ sư đã thiết kế các protein lai tơ amyloid và sản xuất chúng trong vi khuẩn đã được di truyền.
Các sợi kết quả mạnh hơn và dai hơn một số loại tơ nhện tự nhiên, được cho là một trong những vật liệu bền và dai nhất trên Trái đất
Nói một cách chính xác, tơ nhân tạo – được gọi là sợi “polyme amyloid” – không phải do các nhà nghiên cứu sản xuất về mặt kỹ thuật, mà là bởi vi khuẩn được biến đổi gen trong phòng thí nghiệm của Fuzhong Zhang, một giáo sư trong khoa năng lượng, môi trường và kỹ thuật hóa học tại Trường Kỹ thuật McKelvey thuộc Đại học Washington ở St. Louis.
“Điều này chứng tỏ rằng chúng ta có thể thiết kế sinh học để tạo ra vật liệu đánh bại vật liệu tốt nhất trong tự nhiên”.
Zhang đã làm việc với tơ nhện trước đây. Vào năm 2018, phòng thí nghiệm của ông đã thiết kế vi khuẩn tạo ra tơ nhện tái tổ hợp với hiệu suất ngang bằng với các loại tơ tự nhiên về tất cả các đặc tính cơ học quan trọng.
Zhang nói: “Sau công trình 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.
Nhóm nghiên cứu, bao gồm tác giả đầu tiên Jingyao Li, một nghiên cứu sinh tại phòng thí nghiệm của Zhang, đã sửa đổi trình tự axit amin của protein tơ nhện để tạo ra các đặc tính mới, đồng thời giữ một số đặc điểm hấp dẫn của tơ nhện.
Một vấn đề liên quan đến sợi tơ nhện tái tổ hợp – mà không có sự thay đổi đáng kể từ chuỗi tơ nhện tự nhiên – là nhu cầu tạo ra tinh thể β-nano, một thành phần chính của tơ nhện tự nhiên, góp phần vào sức mạnh của nó.
Zhang nói: “Nhện đã tìm ra cách quay sợi với một lượng tinh thể nano đáng mơ ước. “Nhưng khi con người sử dụng quy trình kéo sợi nhân tạo, lượng tinh thể nano trong sợi tơ tổng hợp thường thấp hơn so với sợi tơ tự nhiên của nó “.
Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã thiết kế lại trình tự tơ bằng cách đưa vào các trình tự amyloid có xu hướng hình thành tinh thể β-nano cao. 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 ít lặp lại hơn so với tơ nhện, do đó vi khuẩn đã được biến đổi gen dễ dàng tạo ra chúng hơn. Cuối cùng, vi khuẩn đã tạo ra một protein amyloid cao phân tử lai với 128 đơn vị lặp lại. Sự biểu hiện tái tổ hợp của protein tơ nhện với các đơn vị lặp lại tương tự đã được chứng minh là khó.
Protein càng dài, thành càng chắc chất xơ tạo và dai. 128 protein lặp lại tạo ra sợi có độ bền gigapascal (thước đo lực cần thiết để phá vỡ sợi có đường kính cố định), bền hơn thép thông thường. Độ dai của sợi (thước đo lượng năng lượng cần thiết để làm đứt sợi) cao hơn Kevlar và tất cả các sợi tơ tái tổ hợp trước đây. Sức mạnh và độ dẻo dai của nó thậm chí còn cao hơn một số sợi tơ nhện tự nhiên được báo cáo.
Cộng tác với Young-Shin Jun, giáo sư 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 đặc tính cơ học cao của sợi amyloid cao phân tử thực sự đến từ số lượng tinh thể nano β được tăng cường.
Những protein mới này và các sợi tạo thành không phải là phần cuối của câu chuyện về sợi tổng hợp hiệu suất cao trong phòng thí nghiệm Zhang. Họ chỉ mới bắt đầu.
Zhang nói: “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 nghiên cứu 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.
Li nói: “Dường như có khả năng không giới hạn trong kỹ thuật vật liệu hiệu suất cao sử dụng nền tảng của chúng tôi. “Có khả năng bạn có thể sử dụng các chuỗi khác, đưa chúng vào thiết kế của chúng tôi và cũng có được sợi quang nâng cao hiệu suất.”
Nghiên cứu mới xuất hiện trên tạp chí ACS Nano .
Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ và Văn phòng Nghiên cứu Hải quân đã tài trợ cho nghiên cứu này.
Nguồn: Futurity
Sáng tạo có phương pháp sẽ giúp chúng ta vượt qua các lối mòn tư duy. Liệu có nơi nào giảng dạy bạn cách sáng tạo? Khoá học ngắn hạn “PHƯƠNG PHÁP LUẬN SÁNG TẠO và ĐỔI MỚI” được giảng dạy uy tín, chất lượng tại Trung tâm Sáng tạo Khoa học–kỹ thuật (TSK) thuộc trường Khoa Học Tự Nhiên sẽ lời đáp hữu ích cho bạn. Bạn có thể điền thông tin tại đây hoặc liên hệ số điện thoại: (028) 38 301 743; 089 668 36 31 để thực hiện đăng ký.
