Chinese wetenschappers zijn er met succes in geslaagd spinnenzijde te vervaardigen uit genetisch gemodificeerde zijderupsen, waardoor een vezel ontstaat die veel sterker is dan Kevlar. Gepubliceerd in het tijdschrift ThemaDeze baanbrekende studie presenteert een potentieel milieuvriendelijk alternatief voor commerciële synthetische vezels. De bevindingen hebben verreikende implicaties, variërend van chirurgische hechtingen tot innovaties op militair, ruimtevaart- en biomedisch gebied.
Wetenschappers in China hebben een methode ontwikkeld om spinnenzijde te produceren uit genetisch gemodificeerde zijderupsen, wat een sterk en duurzaam alternatief biedt voor synthetische vezels met toepassingen in verschillende industrieën.
De onderzoekers creëerden spinnenzijde van genetisch gemodificeerde zijderupsen, waardoor een vezel ontstond die zes keer sterker was dan de Kevlar-vezel die in kogelvrije vesten wordt gebruikt. De studie werd op 20 september gepubliceerd in het tijdschrift Thema, was de eerste die met succes spinnenzijde-eiwitten van volledige lengte produceerde met behulp van zijderupsen. De resultaten demonstreren een technologie die kan worden gebruikt om een milieuvriendelijk alternatief te vervaardigen voor synthetische commerciële vezels zoals nylon.
“Zijderupszijde is momenteel de enige dierlijke zijdevezel die op grote schaal wordt gecommercialiseerd, met behulp van gevestigde kweektechnieken,” zei Mei. “Daarom maakt het gebruik van genetisch gemodificeerde zijderupsen om spinnenzijdevezels te produceren goedkope en grootschalige commercialisering mogelijk.”
Afbeelding van geforceerde rolzijde. Krediet: Junpeng Mei
Duurzaamheid van spinnenzijde
Wetenschappers beschouwen spinnenzijde als een aantrekkelijk, duurzaam alternatief voor synthetische vezels, die schadelijke microplastics in het milieu kunnen vrijgeven en vaak worden geproduceerd uit fossiele brandstoffen die de uitstoot van broeikasgassen veroorzaken. Maar het wenden tot de natuur voor alternatieven is niet zonder uitdagingen. Processen die eerder zijn ontwikkeld voor het spinnen van synthetische spinnenzijde hebben moeite om een oppervlaktelaag van glycoproteïnen en lipiden op de zijde aan te brengen om deze te helpen vocht en blootstelling aan zonlicht te weerstaan – een anti-verouderingshuidlaag die spinnen op hun web aanbrengen.
Mee zegt dat genetisch gemodificeerde zijderupsen een oplossing voor dit probleem bieden, omdat de zijderupsen hun vezels met een soortgelijke beschermende laag bedekken.
“Spinnenzijde vertegenwoordigt een strategische hulpbron die dringend moet worden onderzocht”, zegt Junping Mei, promovendus aan de School of Bioscience and Medical Engineering van de Donghua Universiteit en eerste auteur van het onderzoek. “De uitzonderlijk hoge mechanische prestaties van de vezels die in dit onderzoek zijn geproduceerd, zijn veelbelovend op dit gebied. Dit type vezel kan worden gebruikt als chirurgische hechtingen om te voldoen aan de wereldwijde vraag van meer dan 300 miljoen chirurgische ingrepen per jaar.
Spinzijdevezels kunnen ook worden gebruikt om comfortabelere kleding en innovatieve soorten kogelvrije vesten te maken, zegt Mei, en kunnen mogelijk worden toegepast in slimme materialen, het leger, ruimtevaarttechnologie en biomedische technologie.
Zijdevezel geproduceerd door genetisch gemodificeerde zijderupsen. Krediet: Junpeng Mei
Syntheseproces en uitdagingen
Om spinnenzijde van zijderupsen te spinnen, hebben Mei en zijn team spinnenzijde-eiwitgenen in de cel ingebracht DNA Van zijderupsen die tot expressie worden gebracht in hun klieren met behulp van een combinatie van CRISPR-Cas9-genbewerkingstechnologie en honderdduizenden micro-injecties in bevruchte eieren van zijderupsen. Mei zei dat ICSI “een van de belangrijkste uitdagingen” in het onderzoek vormde, maar toen hij de ogen van de zijderupsen rood zag gloeien onder een fluorescentiemicroscoop – een teken van succesvolle genbewerking – was hij opgetogen.
“Ik danste en rende praktisch naar het kantoor van professor Meng Qing om dit resultaat te delen,” zei Mei. “Ik herinner me die nacht nog duidelijk, de opwinding hield me wakker.”
De onderzoekers moesten ook ‘lokalisatie’-wijzigingen aanbrengen in de genetisch gemanipuleerde spinnenzijde-eiwitten, zodat ze correct interageerden met eiwitten in de zijderupsklieren, en ervoor zorgden dat de vezels correct werden gesponnen. Om aanpassingen te begeleiden, ontwikkelde het team een ‘miniatuur structureel basismodel’ van zijderupszijde.
“Het concept van ‘lokalisatie’ dat in dit proefschrift wordt geïntroduceerd, samen met het voorgestelde eenvoudige structurele model, wijkt aanzienlijk af van eerder onderzoek”, zegt Mee. “We hebben er vertrouwen in dat grootschalige commercialisering in aantocht is.”
toekomstperspectieven
In de toekomst is Mei van plan om inzichten in de duurzaamheid en sterkte van spinnenzijdevezels, ontwikkeld in het huidige onderzoek, te gebruiken om genetisch gemodificeerde zijderupsen te ontwikkelen die spinzijdevezels produceren uit natuurlijke en kunstmatige materialen. Aminozuren.
“De introductie van meer dan honderd synthetische aminozuren biedt onbeperkte mogelijkheden voor synthetische spinnenzijdevezels”, zegt Mei.
Referentie: “Zeer sterke en ultrasterke hele spinnenzijdevezel gesponnen uit genetisch gemodificeerde zijderupsen” door Junpeng Mi, Yizhong Zhou, Sanyuan Ma, Xingping Zhou, Shouying Xu, Yuchen Yang, Yuan Sun, Qingyou Xia, Hongnian Zhu, Suyang Wang , Luoyang Tian en Cheng Meng, 20 september 2023, Thema.
doi: 10.1016/j.matt.2023.08.013
Dit werk werd ondersteund door de National Natural Science Foundation of China, Key Projects van de Shanghai Municipal Science and Technology Commission, International Cooperation Projects van de Shanghai Municipal Science and Technology Commission en de Fundamentele Onderzoeksfondsen voor de Centrale Universiteiten.
‘Webgeek. Wannabe-denker. Lezer. Freelance reisevangelist. Liefhebber van popcultuur. Gecertificeerde muziekwetenschapper.’
