Synthetische Spinnenseide Produktion im Labormaßstab
Summary
Trotz der hervorragenden mechanischen und biochemischen Eigenschaften von Spinnenseide, kann dieses Material nicht in großen Mengen mit konventionellen Mitteln gewonnen werden. Hier beschreiben wir eine wirksame Strategie, um künstliche Spinnenseide, die ein wichtiger Prozess für die Ermittler Studium Spinnenseide Herstellung und ihre Verwendung als Next-Generation-Biomaterialien ist zu spinnen.
Abstract
Wie die Gesellschaft fortschreitet und die Ressourcen werden knapper, wird es immer wichtiger, neue Technologien zu kultivieren, dass Ingenieur Biomaterialien nächsten Generation mit hoher Performance Eigenschaften. Die Entwicklung dieser neuen strukturellen Materialien muss schnell, kostengünstig und beinhalten Verarbeitungsverfahren und Produkte, die umweltfreundlich und nachhaltig sind. Spinnen spinnen eine Vielzahl von verschiedenen Fasertypen mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften und bietet eine reiche Quelle der nächsten Generation technischen Werkstoffen für Bionik, dass Rivalen die besten künstlichen und natürlichen Materialien. Da die Aufnahme von großen Mengen der natürlichen Spinnenseide ist unpraktisch, hat Kunstseide Produktion die Möglichkeit, Wissenschaftler mit Zugang zu einem unbegrenzten Vorrat an Themen zu bieten. Deshalb, wenn das Spinnverfahren können gestrafft und perfektioniert haben künstliche Spinne Fasern die mögliche Verwendung für ein breites Spektrum von Anwendungen, die von Body Armor, chirurgisches Nahtmaterials, Kabel und Seile, Reifen, Saiten für Musikinstrumente, und Verbundwerkstoffe für Luft-und Raumfahrttechnik. Um die Kunstseide Produktion voranzubringen und zu Fasern, die geringe Varianz zeigen in ihren materiellen Eigenschaften von Spin zu drehen nachgeben, entwickelten wir eine Nassverspinnen Protokoll, das die Expression von rekombinanten Spinnenseide Proteine in Bakterien, Reinigung und Konzentration der Proteine integriert , gefolgt von Faserextrusion und mechanische Nachbearbeitung Spin Behandlung. Dies ist das erste visuelle Darstellung, die eine Schritt-für-Schritt-Prozess zeigt sich zu drehen und zu analysieren, Kunstseide Fasern im Labormaßstab. Es liefert auch Informationen, um die Einführung der Variabilität zwischen den Fasern aus dem gleichen Spinnlösung versponnen zu minimieren. Zusammen werden diese Methoden treiben den Prozess der Kunstseide Produktion, was zu höherer Qualität Fasern, die natürliche Spinnenseide zu übertreffen.
Introduction
Spinnenseide verfügt über hervorragende mechanische Eigenschaften, die heraus führt mehrere künstlichen Materialien, einschließlich hochfestem Stahl, Kevlar und Nylon. 1 Spinnen spinnen mindestens 6-7 unterschiedliche Fasertypen, die unterschiedliche mechanische Eigenschaften zeigen, die jeweils mit unterschiedlichen Mengen an Zugfestigkeit und Erweiterbarkeit ausgelegt um spezifische biologische Aufgaben zu erfüllen. 2 Forschung Wissenschaftler werden schnell verfolgt die Verwendung von Spinnenseide als Biomaterial nächsten Generation aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften, ihrer Biokompatibilität und ihre nicht-toxisch und grün-materieller Natur. 3,4 Wegen des kannibalischen und giftigen Natur der Spinnentiere, Ernte Spinnenseide durch die Landwirtschaft ist keine praktische Strategie, um den Anforderungen, die für Herstellung im industriellen Maßstab gerecht zu werden. Daher haben Wissenschaftler in die Produktion von rekombinanten Seidenproteinen in transgenen Organismen in vitro gekoppelt Spinnen von synthetischen Fasern aus der eingeschaltetse gereinigte Proteine. 8.5 Expression von rekombinanten Volllängen-Spinnenseidenproteinen war technisch schwierig angesichts der Beschaffenheit ihrer Gensequenzen, die ihre stark repetitiven Natur und physikalischen Längen (> 15 kb) umfassen, GC-reiche Inhalt und voreingenommen Alanin und Glycin Codonverwendung. 11.09 Bis heute haben die meisten Labors auf auszudrücken verkürzten Formen der großen Ampullendrüse Seidenproteine MaSp1 oder MaSp2 mit partiellen cDNA-Sequenzen oder synthetische Gene konzentriert. 15.12 Spinning synthetischen Spinnenseide ist ein herausfordernder Prozess, der Beherrschung und Kenntnisse in verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen und den Feinheiten der Spinnverfahren sind noch nicht vollständig an die breite Öffentlichkeit von Video-Darstellung offenbart. In der Tat haben nur eine Handvoll Labors auf der ganzen Welt das Know-how, um die Spinnenseide cDNAs zum Ausdruck bringen, reinigen die Seidenproteine, synthetischen Fasern zu spinnen, und führen Sie nach dem Spin-Unentschieden, und dann schließlich testen ihre Eigenschaften Biomaterial. 8,16,17 Unterschiedliche Ansätze für die Spinnerei synthetischen Fasern haben umfasste nassen und trockenen Spinnerei sowie Elektrospinnen Methoden 16,18,19 Alle Verfahren haben ein gemeinsames Ziel -. Entwicklung eines Protokolls, das synthetische Spinnenseide produziert mit mechanischen Eigenschaften, die rivalisierenden natürlichen Fäden für groß angelegte kommerzielle Herstellungsverfahren.
Hier beschreiben wir den Vorgang, um künstliche Spinnenseide im Labormaßstab mit Hilfe eines Nassverspinnen Methodik zu generieren. Im Vergleich zu anderen Spinnverfahren hat Naßspinnen die konstantesten Ergebnisse für Faser-Analyse erzeugt. Wir stellen diese Vorgehensweise, beginnend mit der Expression der rekombinanten Proteine in Bakterien Seide, die durch ihre anschließende Reinigung und beschreiben anschließend die Schritte zur Vorbereitung Protein für die Spinnerei, einschließlich einer post-Spin-Methode wie für die Auslosung ", wie gesponnen" Fasern, Fäden ergibt sich mit Materialeigenschaften, die die Qualität der natürlichen Spinnenseide zu nähern. Unsere methodology wurde entwickelt, um genau imitieren den natürlichen Spinnprozess von Seidenfasern und es greift stark auf unser Know-how über die Architektur und Funktion der Seide-produzierende Drüsen von Orb-und COB-Weben Spinnen. 20-22 Darüber hinaus schließen wir mit der notwendigen Schritte, um die Materialeigenschaften der synthetischen Fasern mit einem Dehnungsmesser zu Spannungs-Dehnungs-Kurven, die Ermittler auf die Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Zähigkeit der Fasern berechnen lassen plotten zu bestimmen. Schließlich aber von bedeutendem Wert, können die Spinnen, Spulen, Apparate und Zeichnung sein Zuhause gebaut mit handelsüblichen Teilen erwarben, anstatt aufwendige und teure kundenspezifische Geräte.
Protocol
Discussion
Synthetische Fasern, die aus dieser Methode versponnen werden mechanisch auf der gleichen Größenordnung im Vergleich zu den natürlichen Fasern. Durch die Verringerung der Menge an menschlichem Versagen durch Mechanisierung der Spooling-und Post-Spin Auslosung Prozesse, sind die experimentelle Variation zwischen den Proben kontrollierter und stark reduziert.
Unsere Methodik bietet die Möglichkeit, die mechanischen Eigenschaften der Fasern, die aus anderen rekombinanten Proteinen aus den c…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von der NSF RUI Grants MCB-0950372 und DMR-1105310 mit dem Titel "Molekulare Charakterisierung von Black Widow Spider Silks und mechanische Verhalten von Spider Silks Kleber", bzw. unterstützt.
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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