Биология — это источник вдохновения для создания материалов. Природа действительно способна предоставить множество высокоэффективных биоразлагаемых материалов из возобновляемого сырья с помощью низкоэнергетических водных процессов. Примеры включают исключительно прочную щетину паука и высокоэластичную смолу от насекомых. Мышечные волокна — другое. На самом деле исследователи пытались создать материалы со свойствами, аналогичными свойствам мышц, для различных применений, таких как мягкая робототехника.
К сожалению, большинство этих природных материалов не могут быть легко использованы, поскольку они производятся в ограниченных количествах медленно растущими организмами. Чтобы облегчить практическое использование и разработку этих высокоэффективных возобновляемых материалов, исследователи обращаются к стратегиям микробного производства.
Микробное производство титина
В одном из исследований команда из Вашингтонского университета (Сент-Луис) нашла способ использовать бактерии кишечной палочки для производства синтетических мышечных белков. В частности, исследователи разработали подход синтетической химии для полимеризации белков внутри модифицированных микробов. Это позволило бактериям производить высокомолекулярный мышечный белок титин (один из трех основных белковых компонентов мышечной ткани), который затем скручивался в волокна.
Чтобы дать возможность этим микробам производить такие белки (самые большие в природе, примерно в пятьдесят раз превышающие размер средней бактерии), исследователи генетически модифицировали микроорганизмы, чтобы они могли восстанавливать более мелкие сегменты этих молекул. Затем они использовали процесс мокрого прядения для превращения их в волокна диаметром около десяти микрон (одна десятая толщины человеческого волоса).
Затем команда проанализировала структуру этих волокон, чтобы определить молекулярные механизмы, обеспечивающие уникальное сочетание жесткости, прочности и исключительной амортизирующей способности. Это только начало, но в долгосрочной перспективе эти волокна могут позволить производить одежду или защитное снаряжение, более прочное, чем кевлар, считают исследователи.
Поскольку этот материал практически идентичен белкам, присутствующим в мышечной ткани, он также может быть биосовместимым и, следовательно, иметь множество потенциальных биомедицинских применений (швы, тканевая инженерия, биомедицинские имплантаты или протезы).