Природа создала вещества на белковой основе с механическими свойствами, которые могут соперничать даже с лучшими синтетическими материалами. Например, фунт за фунтом паучий шелк прочнее и жестче стали. Но, в отличие от стали, натуральное волокно нельзя производить массово. Сегодня ученые сообщают о новом методе, который использует искусственные бактерии для производства паучьего шелка и других сложных в производстве белков, которые могут быть полезны во время будущих космических миссий.
Исследователи представят свои результаты сегодня на Весенней национальной встрече и выставке Американского химического общества (ACS) 2019 года.
«В природе существует множество белковых материалов, обладающих удивительными механическими свойствами, но запасы этих материалов очень часто ограничены», - говорит Фучжун Чжан, доктор философии, главный исследователь проекта. «Моя лаборатория заинтересована в разработке микробов, чтобы мы могли не только производить эти материалы, но и делать их еще лучше».
При производстве в достаточных количествах паутинный шелк можно было бы использовать для самых разных целей, начиная от пуленепробиваемой ткани и заканчивая хирургическими швами. Но шелк паука выращивать непросто - пауки производят крошечные количества, а некоторые виды становятся каннибалами, если их держать в группах. Поэтому ученые пытались создать паутинную паутинную ткань из бактерий, дрожжей, растений и даже коз, но им пока не удалось полностью воспроизвести механические свойства натурального волокна.
Часть проблемы заключается в том, что белки шелка пауков кодируются очень длинными повторяющимися последовательностями ДНК. Пауки разработали способы сохранения этих последовательностей в своем геноме. Но когда ученые помещают этот тип ДНК в другие организмы, гены очень нестабильны, часто обрезаются или иным образом изменяются клеточным механизмом хозяина. Чжан и его коллеги из Вашингтонского университета в Сент-Луисе задались вопросом, смогут ли они разбить длинные повторяющиеся последовательности на более короткие блоки, с которыми бактерии смогут справиться и превратить в белки. Затем исследователи смогли собрать более короткие белки в более длинное волокно паучьего шелка.
Команда ввела в бактерии гены, кодирующие две части белка шелка пауков, каждая из которых окружена последовательностью, называемой расщепленным интеином. Расщепленные интеины представляют собой встречающиеся в природе белковые последовательности с ферментативной активностью: два расщепленных интеина на разных белковых фрагментах могут соединяться, а затем разъединяться, образуя интактный белок. После введения генов исследователи вскрыли бактерии и очистили короткие кусочки белка шелка пауков. Смешивание фрагментов заставляло их соединяться вместе через «клей» расщепленной последовательности интеина, которая затем вырезалась, чтобы получить полноразмерный белок. При скручивании в волокна произведенный микробами паучий шелк обладал всеми свойствами натурального паучьего шелка, в том числе исключительной прочностью, ударной вязкостью и растяжимостью. С помощью этого метода исследователи получили больше шелка, чем от пауков (до двух граммов шелка на литр бактериальной культуры), и в настоящее время они пытаются увеличить выход еще больше.
Исследователи могут создавать различные повторяющиеся белки, просто заменяя ДНК шелка паука и помещая другие последовательности в бактерии. Например, исследователи использовали эту технику для получения белка из мидий, который прочно прилипает к поверхностям. Белок может когда-нибудь применяться в качестве подводного клея. Теперь исследователи работают над оптимизацией процесса, чтобы реакция соединения белков могла происходить внутри бактериальных клеток. Это повысит эффективность и потенциальную автоматизацию системы, поскольку исследователям не придется очищать две части белка, а затем инкубировать их вместе.
В дополнение к применению здесь, на Земле, система производства бактериального белка может быть полезна во время космических миссий, отмечает Чжан. «НАСА является одним из наших спонсоров, и они заинтересованы в биопроизводстве», - говорит он. «В настоящее время они разрабатывают технологии, с помощью которых они могут преобразовывать углекислый газ в углеводы, которые можно использовать в качестве пищи для микробов, которых мы разрабатываем. Таким образом, астронавты могли бы производить эти белковые материалы в космосе, не принося с собой большого количества сырье."