Synthétique de la production soie d'araignée sur l'échelle du laboratoire
Summary
Malgré les excellentes propriétés mécaniques et biochimiques de soies de l'araignée, ce matériau ne peut être récolté en grandes quantités par des moyens conventionnels. Nous décrivons ici une stratégie efficace pour faire tourner fibres artificielles de soie d'araignée, ce qui est un processus important pour les enquêteurs qui étudient la production de soie d'araignée et de leur utilisation en tant que prochaine génération de biomatériaux.
Abstract
Comme la société progresse et les ressources se raréfient, il est de plus en plus important de cultiver de nouvelles technologies qui biomatériaux ingénieur de la prochaine génération avec des propriétés de haute performance. Le développement de ces nouveaux matériaux structurels doit être rapide, rentable et sur les méthodologies de traitement et des produits qui sont respectueux de l'environnement et durable. Araignées tissent une multitude de différents types de fibres avec diverses propriétés mécaniques, offrant une riche source de matériaux d'ingénierie prochaines génération pour le biomimétisme qui rivalisent avec les meilleurs matériaux naturels et anthropiques. Depuis la collecte de grandes quantités de soie d'araignée naturelle n'est pas possible, la production de soie synthétique a la capacité de fournir aux scientifiques d'avoir accès à un approvisionnement illimité de threads. Par conséquent, si le procédé de filage peut être simplifié et perfectionné, les fibres d'araignée artificielle ont le potentiel de l'utilisation pour un large éventail d'applications allant des gilets pare-balles, suture chirurgicales, cordes et cordages, les pneus, les cordes pour instruments de musique, et les matériaux composites pour l'aviation et de la technologie aérospatiale. Afin de faire progresser le processus de soie synthétique de production et de céder des fibres qui affichent une faible variance dans leurs propriétés des matériaux à partir de spin à tourner, nous avons développé un protocole de filage au mouillé qui intègre l'expression de protéines recombinantes de soie d'araignée dans les bactéries, la purification et la concentration des protéines , suivie par extrusion de fibres et une post-rotation mécanique de traitement. Il s'agit de la première représentation visuelle qui révèle un processus étape par étape pour faire tourner et d'analyser les fibres de soie artificielle sur une échelle de laboratoire. Il fournit également des détails afin de minimiser l'introduction de la variabilité entre les fibres filées à partir de la dope même filature. Collectivement, ces méthodes va propulser le processus de production de la soie artificielle, ce qui conduit à des fibres de meilleure qualité qui dépassent les soies d'araignée naturelle.
Introduction
Soie de l'araignée a des propriétés mécaniques extraordinaires qui effectue des matériaux synthétiques, y compris plusieurs en acier haute résistance, le kevlar et le nylon. 1 araignées tissent au moins 6-7 différents types de fibres qui affichent diverses propriétés mécaniques, chacun étant conçu avec des quantités variables de résistance à la traction et l'extensibilité pour effectuer des tâches spécifiques. biologiques 2 Les chercheurs sont rapidement la poursuite de l'utilisation de la soie d'araignée en tant que biomatériaux de la prochaine génération en raison de leurs excellentes propriétés mécaniques, leur biocompatibilité et leur nature non-toxiques et vert-matériau. 3,4 En raison de la cannibale et la nature venimeuse des arachnides, la récolte des soies d'araignée à travers l'agriculture n'est pas une stratégie concrète pour répondre aux exigences nécessaires à la fabrication à l'échelle industrielle. Par conséquent, les scientifiques se sont tournés vers la production de protéines recombinantes de soie dans des organismes transgéniques couplé avec in vitro la filature de fibres synthétiques à partir de lasoi protéines purifiées. 5-8 Expression de pleine longueur des protéines recombinantes de soie d'araignée a été techniquement difficile compte tenu des propriétés intrinsèques de leurs séquences de gènes, qui comprennent leur nature hautement répétitive et les longueurs physiques (> 15 kb), riche en GC contenu et partiale alanine et la glycine codon usage 9-11. À ce jour, la plupart des laboratoires ont mis l'accent sur l'expression de formes tronquées des protéines majeures de soie ampullaires MASP1 ou MaSp2 utilisant des séquences partielles d'ADNc ou des gènes synthétiques. 12-15 Spinning synthétique araignée soie est un processus difficile qui exige maîtrise et des connaissances dans plusieurs disciplines scientifiques, et les subtilités du processus de filage n'ont pas été pleinement révélé au grand public par la représentation vidéo. En fait, seule une poignée de laboratoires à travers le monde ont l'expertise nécessaire pour exprimer les ADNc de soie d'araignée, de purifier les protéines de soie, le filage de fibres synthétiques et des fonctions de post-spin tirage, et puis finalement de tester leurs propriétés de biomatériaux. 8,16,17 Différentes approches pour le filage de fibres synthétiques ont englobé filage au mouillé et sec ainsi que des méthodes électrofilage 16,18,19 Toutes les procédures ont un but commun -. Élaboration d'un protocole qui produit la soie d'araignée synthétique ayant des propriétés mécaniques qui rivalisent avec les fils naturels à grande échelle des processus de fabrication commerciale.
Nous décrivons ici la procédure pour générer des soies d'araignée artificielle sur une échelle de laboratoire en utilisant une méthodologie de filage au mouillé. Par rapport aux autres procédés de filage, filage au mouillé a produit les résultats les plus cohérents pour l'analyse des fibres. On exposer cette procédure commençant avec l'expression des protéines de soie recombinant dans des bactéries, suivie par leur purification, puis décrire les étapes de préparation de protéines pour la filature, comprenant une méthodologie de post-étirage de spin appliquée à "comme" fibres filées et qui donne fils avec propriétés des matériaux qui se rapprochent de la qualité de la soie d'araignée naturelle. Notre démarche méthodologiquey est conçu pour imiter au mieux le processus naturel de filage de fibres de soie et il s'appuie largement sur notre expertise de l'architecture et la fonction des glandes produisant la soie de l'ORB-et torchis tissage araignées. 20-22 De plus, nous concluons avec la nécessaire des mesures pour déterminer les propriétés des matériaux des fibres synthétiques en utilisant un tensiomètre pour tracer courbes contrainte-déformation, qui permettent aux enquêteurs de calculer la résistance à la rupture, déformation ultime, et la ténacité des fibres. Enfin, mais de grande valeur, les appareils de filature, bobinage, et le dessin peuvent être à la maison construit en utilisant des pièces disponibles dans le commerce, plutôt que l'achat de matériel élaboré et coûteux personnalisé.
Protocol
Discussion
Les fibres synthétiques filées à partir de cette méthodologie sont mécaniquement sur le même ordre de grandeur par rapport aux fibres naturelles. En diminuant la quantité d'erreur humaine en mécanisant le bobinage et les processus post-tirage de spin, la variation expérimentale entre les échantillons sont plus contrôlée et fortement réduit.
Notre méthodologie offre la possibilité d'enquêter sur les propriétés mécaniques des fibres d'autres qui sont filés à pa…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par la NSF Subventions RUI MCB-0950372 et 1105310 DMR-droit "Caractérisation moléculaire de Black Widow Soies d'araignée et le comportement mécanique des Soies d'araignée colle», respectivement.
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 |
Riferimenti
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