La producción de seda sintética araña a escala de laboratorio
Summary
A pesar de las excelentes propiedades mecánicas y bioquímicas de las sedas de araña, este material no pueden ser cosechadas en grandes cantidades por medios convencionales. A continuación se describe una estrategia eficiente para hacer girar las fibras artificiales de seda de araña, que es un proceso importante para los investigadores que estudian la producción de seda de araña y su uso como la próxima generación de biomateriales.
Abstract
Mientras la sociedad avanza y los recursos se vuelven escasos, cada vez es más importante cultivar las nuevas tecnologías que los biomateriales de ingeniería de última generación con propiedades de alto rendimiento. El desarrollo de estos nuevos materiales estructurales debe ser rápida, rentable y hacer participar a las metodologías de procesamiento y productos respetuosos con el medio ambiente y sostenible. Las arañas tejen una multitud de diferentes tipos de fibras con diversas propiedades mecánicas, que ofrece una rica fuente de material próximos generación de ingeniería para el biomimetismo que rivalizan con los mejores materiales naturales y artificiales. Desde la recogida de grandes cantidades de seda de araña natural es poco práctico, la producción de seda sintética tiene la capacidad de proporcionar a los científicos el acceso a un suministro ilimitado de temas. Por lo tanto, si el proceso de hilatura puede ser simplificado y perfeccionado, fibras artificiales araña tiene el uso potencial de una amplia gama de aplicaciones que van desde chalecos antibalas, sutura quirúrgicas, cuerdas y cordajes, neumáticos, cuerdas para instrumentos musicales, y materiales compuestos para la aviación y la tecnología aeroespacial. Con el fin de avanzar en el proceso de producción de seda sintética y para producir fibras que muestran poca variación en sus propiedades materiales de la vuelta a girar, se desarrolló un protocolo de hilatura en húmedo que se integra la expresión de proteínas recombinantes de seda de araña en las bacterias, la purificación y concentración de las proteínas , seguido por extrusión de fibra y un tratamiento mecánico posterior giro. Esta es la primera representación visual que revela un proceso paso a paso para hacer girar y analizar fibras de seda artificial a escala de laboratorio. También proporciona detalles para minimizar la introducción de variabilidad entre las fibras hiladas a partir de la mezcla de hilatura mismo. En conjunto, estos métodos impulsará el proceso de producción de seda artificial, lo que lleva a las fibras de mayor calidad que superan las sedas de araña naturales.
Introduction
La seda de araña tiene extraordinarias propiedades mecánicas que lleva a cabo a cabo varios materiales hechos por el hombre, incluyendo acero de alta resistencia, kevlar y nylon. 1 Las arañas tejen por lo menos 6-7 diferentes tipos de fibras que presentan diversas propiedades mecánicas, cada uno diseñado con cantidades variables de resistencia a la tracción y capacidad de ampliación para llevar a cabo tareas específicas de biológicos. 2 Los investigadores científicos están buscando rápidamente el uso de sedas de araña como biomateriales de próxima generación, debido a sus excelentes propiedades mecánicas, de su biocompatibilidad, y su carácter no tóxico y material verde. 3,4 Debido a la caníbal y la naturaleza venenosa de los arácnidos, la cosecha sedas de araña a través de la agricultura no es una estrategia práctica para satisfacer las demandas necesarias para la fabricación a escala industrial. Por lo tanto, los científicos han recurrido a la producción de proteínas recombinantes en seda organismos transgénicos, junto con in vitro hilado de fibras sintéticas de lasE proteínas purificadas. 8.5 Expresión de larga duración en proteínas recombinantes de seda de araña ha sido técnicamente difícil, dadas las propiedades intrínsecas de sus secuencias genéticas, que incluyen su naturaleza altamente repetitivo y longitudes físicas (> 15 kb), GC-rica de contenido y parcial alanina y glicina uso de codones. 9.11 Hasta la fecha, la mayoría de los laboratorios se han centrado en la expresión de formas truncadas de las principales proteínas de la seda ampullate MaSp1 o MASP2 usando secuencias parciales de ADNc o genes sintéticos. 12-15 Spinning sintética las sedas de araña es un proceso difícil que requiere el dominio y el conocimiento en varias disciplinas científicas, y las complejidades del proceso de hilado no se han revelado al público en general por la representación de vídeo. De hecho, sólo un puñado de laboratorios en todo el mundo tienen la experiencia para expresar el ADNc de seda de araña, purificar las proteínas de la seda, hacer girar las fibras sintéticas y llevar a cabo después de la vuelta empate, y, finalmente, probar sus propiedades de biomateriales. 8,16,17 Diferentes enfoques para la hilatura de fibras sintéticas han abarcado hilado en húmedo y seco, así como los métodos de electrospinning 16,18,19 Todos los procedimientos tienen una meta en común -. El desarrollo de un protocolo que produce la seda de araña sintética con propiedades mecánicas que rivalizan con hilos naturales a gran escala los procesos de fabricación comerciales.
A continuación se describe el procedimiento para generar las sedas de araña artificiales a escala de laboratorio utilizando una metodología de hilatura en húmedo. En comparación con otros métodos de hilado, hilado en húmedo ha producido los resultados más consistentes para el análisis de fibra. Se describen este procedimiento comenzando con la expresión de las proteínas recombinantes en bacterias de seda, seguido por la purificación de ellos y, a continuación se describen los pasos de preparación de proteínas para el hilado, incluyendo una metodología sorteo posterior giro aplicado a "como" fibras hiladas en que los rendimientos de hilos con propiedades de los materiales que se acercan a la calidad de las sedas de araña naturales. Nuestro METODOLOGÍy está diseñado para imitar el proceso natural de hilado de fibras de seda y se basa en gran medida nuestra experiencia de la arquitectura y el funcionamiento de las glándulas productoras de seda de la orbe-y mazorca de tejido de las arañas. 20-22 Además, se concluye con la necesaria pasos para determinar las propiedades del material de las fibras sintéticas utilizando un tensiómetro para trazar curvas tensión-deformación, que permiten a los investigadores a calcular la resistencia última, deformación última, y la tenacidad de las fibras. Por último, pero de gran valor, los aparatos de hilatura, cola, y el dibujo puede estar en casa-construida con piezas disponibles en el mercado, en lugar de la compra de equipos a medida elaborado y costoso.
Protocol
Discussion
Las fibras sintéticas hiladas a partir de esta metodología son mecánicamente en el mismo orden de magnitud en comparación con las fibras naturales. Al disminuir la cantidad de errores humanos mediante la mecanización de la cola de impresión y los procesos posteriores de giro del sorteo, la variación entre muestras experimentales son más controlado y reducido en gran medida.
Nuestra metodología ofrece la posibilidad de investigar las propiedades mecánicas de las fibras de otros que …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por la NSF RUI Becas MCB-0950372 y DMR-1105310 titulada "Caracterización molecular de Black Widow sedas de araña y comportamiento mecánico de araña Sedas pegamento", respectivamente.
Materials
| Reagent/Equipment | Company | Catalogue number | Comments |
| pBAD/TOPO ThioFusion Expression Kit | Invitrogen | K370-01 | |
| FastBreak Cell Lysis Reagent, 10x | Promega | V857C | |
| Ni-NTA Agarose | Qiagen | 30210 | Includes instructions for buffers |
| ProteoSilver Silver Stain Kit | Sigma-Aldrich | PROTSIL1-1KT | |
| FreeZone Lyophilizer | Labconco | 7960041 | FreeZone 12Plus |
| Hexafluoroisopropanol (HFIP) | Sigma-Aldrich | 52512 | |
| Syringe | Hamilton | 7657-01 | 250 μL |
| Needle | Hamilton | 7780-01 | 26s Gauge, Blunt end removable needle |
| Syringe Pump | Harvard Apparatus | 702208 | 11Plus |
| Digital Caliper | Carrera | CP5906 | 0-150 mm range |
| Stainless steel forceps | World Precision Instruments | 501764 | Mini Dumont #M5S |
| Motor | Nature Mill | 7090529 | 12VDC, 2 rpm speed |
| Linear Actuator | Warner Electric | 01-D024-0050-A06-LP-IP65 | 24VDC, 6 inch range |
| Dissecting microscope | Leica Microsystems | Leica MZ16 | |
| Digital microscope camera | Leica Microsystems | DFC320 | Software: Leica Application Suite v2.8.1 |
| Vannas scissors | World Precision Instruments | 500260 | |
| Microtensometer | Aurora Scientific | 310C | 5N Dual-Mode System |
References
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