微生物降解纖維素的原理（合成生物學使微生物能夠製造出比凱夫拉縴維更堅韌的肌肉纖維）

2023-05-29 01:07:44 1

你會穿由肌肉纖維製成的衣服嗎？用它們來繫鞋帶，甚至把它們當作皮帶來穿？這聽起來可能有點奇怪，但如果這些纖維在斷裂前能承受比棉、絲、尼龍甚至凱夫拉更多的能量，那麼為什麼不呢？別擔心，這種肌肉可以在不傷害任何動物的情況下生產。

聖路易斯華盛頓大學McKelvey工程學院的研究人員開發了一種合成化學方法，在工程微生物內部聚合蛋白質。這使微生物能夠產生高分子量的肌肉蛋白--鈦蛋白，然後將其紡成纖維。他們的研究發表在2021年8月30日星期一的《自然通訊》雜誌上。

"它的生產可以是廉價和可擴展的。"能源、環境和化學工程系教授Zhang Fuzhong說："它可能會實現人們以前想到的許多應用，但要用天然的肌肉纖維。現在，這些應用可能在不需要實際動物組織的情況下實現。"

Zhang的實驗室生產的合成肌肉蛋白是titin，是肌肉組織的三個主要蛋白成分之一。對其機械性能至關重要的是titin的大分子尺寸。它是自然界中最大的已知蛋白質。肌肉纖維已經被關注了很久。研究人員一直在嘗試設計具有與肌肉類似特性的材料，用於各種應用，如軟體機器人。

為了規避通常阻礙細菌生產大型蛋白質的一些問題，研究小組設計了細菌，將較小的蛋白質片段拼接成大小約為2兆道爾頓的超高分子量聚合物--約為普通細菌蛋白質的50倍。然後他們使用溼法紡紗工藝將蛋白質轉化為直徑約為10微米的纖維，或人類頭髮厚度的十分之一。

與合作者能源、環境和化學工程系教授Young Shin Jun和西北大學機械工程系教授Sinan Keten合作，該小組隨後分析了這些纖維的結構，以確定使其獨特的韌性、強度和阻尼能力（或將機械能量作為熱量散失的能力）相結合的分子機制。

除了花哨的衣服或保護性盔甲（同樣，這種纖維比防彈背心中使用的凱夫拉材料更堅韌），薩金特指出，這種材料也有許多潛在的生物醫學應用。因為它與肌肉組織中的蛋白質幾乎相同，這種合成材料據推測具有生物相容性，因此可以成為縫合線、組織工程等方面的絕佳材料。

Zhang的研究小組並不打算在合成肌肉纖維上止步。未來可能會有更多由他們的微生物合成策略促成的獨特材料。Bowen、Cameron和Zhang已經在研究的基礎上提交了一份專利申請。該系統的魅力在於它確實是一個可以應用於任何地方的平臺。可以從不同的自然環境中獲取蛋白質，然後把它們放入這個平臺進行聚合，並為各種材料應用創造更大、更長的蛋白質，具有更大的可持續性。