Dzięki genetycznie zmodyfikowanym jedwabnikom, naukowcom z Chin udało się zsyntetyzować jedwab pajęczy zawierający pełnowymiarowe pajęcze białko. Zdaniem autorów, jedwab pajęczy może być ekologiczną alternatywą dla włókien syntetycznych, które są źródłem zanieczyszczenia mikroplastikiem i powstają zwykle z paliw kopalnych.

Uzyskane jedwabniki wytworzyły nici składające się w 100 proc. z pajęczego jedwabiu, który wytrzymywał bez pękania siłę rozciągającą 1299 megapaskali, co czyni go 1,3 razy mocniejszym od nylonu. Jego wytrzymałość – energia, którą był w stanie pochłonąć pod wpływem uderzenia – wynosiła 319 megadżuli na metr sześcienny, dzięki czemu jest sześć razy bardziej wytrzymały niż kevlar.

O ile hodowla jedwabników jest procesem znanym od tysięcy lat, wydajnym i dobrze opanowanym, próby hodowania pająków na masową skalę kończyły się niepowodzeniem. Będąc drapieżnikami pająki zjadały się wzajemnie, hodowla poszczególnych osobników była niezwykle pracochłonna i wykorzystywana rzadko, do specjalnych celów (gdy na przykład potrzebne były wytrzymałe nici do precyzyjnych celowników dla bombowców).

“Wykorzystywanie genetycznie zmodyfikowanych jedwabników do produkcji włókien jedwabiu pajęczego umożliwia komercjalizację na dużą skalę przy niskich kosztach” – wskazał Junpeng Mi, doktorant w Kolegium Nauk Biologicznych i Inżynierii Medycznej na Uniwersytecie Donghua i pierwszy autor badania (https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.08.013).

Wcześniej opracowane procesy wytwarzania sztucznego jedwabiu pajęczego napotykały trudności z nałożeniem na nić powierzchniowej warstwy glikoprotein i lipidów, które zabezpieczyłyby przed wilgocią i ekspozycją na światło słoneczne. Warstwę taką pająki nakładają na swoje sieci. Jak wskazał Mi, genetycznie zmodyfikowane jedwabniki oferują rozwiązanie tego problemu, ponieważ pokrywają własne włókna podobną warstwą ochronną.

"Ten rodzaj włókien można wykorzystać jako nici chirurgiczne, zaspokajając globalne zapotrzebowanie przekraczające 300 milionów zabiegów rocznie” - zaznaczył naukowiec. Włókna jedwabiu pajęczego można również wykorzystać do tworzenia wygodniejszej odzieży i innowacyjnych typów kamizelek kuloodpornych, mogą mieć zastosowanie w inteligentnych materiałach, wojsku, technologii lotniczej i inżynierii biomedycznej.

Aby wyhodować jedwab pajęczy z jedwabników, Mi i jego zespół wprowadzili geny białek jedwabiu pajęczego do DNA jedwabników, tak aby ulegał on ekspresji w ich gruczołach przy użyciu kombinacji technologii edycji genów CRISPR-Cas9 i setek tysięcy mikroiniekcji do zapłodnionych jaj jedwabników. Mikroiniekcje stanowiły „jedno z najważniejszych wyzwań” w badaniu.

Naukowcy musieli także przeprowadzić modyfikacje transgenicznych białek jedwabiu pajęczego, tak aby prawidłowo wchodziły w interakcje z białkami w gruczołach jedwabnika, zapewniając prawidłowe przędzenie włókna.

W przyszłości chiński zespół planuje wykorzystać wiedzę na temat wytrzymałości włókien jedwabiu pajęczego uzyskaną w bieżącym badaniu do opracowania genetycznie zmodyfikowanych jedwabników wytwarzających włókna jedwabiu pajęczego zarówno z naturalnych, jak i sztucznych aminokwasów.

„Wprowadzenie ponad stu zmodyfikowanych aminokwasów kryje w sobie nieograniczony potencjał inżynierii włókien jedwabiu pajęczego” – powiedział Mi.(PAP)

Autor: Paweł Wernicki

pmw/ agt/