Synthetische biologie stelt microben in staat om spieren op te bouwen

Draag je kleding gemaakt van spiervezels? Gebruik je hem om je schoenen mee te strikken of zelfs als riem te dragen? Het klinkt misschien een beetje vreemd, maar als deze vezels meer energie vasthouden voordat ze breken dan katoen, zijde, nylon of zelfs Kevlar, waarom niet?

Maak je geen zorgen, deze spier kan worden geproduceerd zonder een enkel dier te schaden.

Onderzoekers van de McKelvey School of Engineering van de Washington University in St. Louis hebben een synthetische-chemische benadering ontwikkeld om eiwitten in gemanipuleerde microben te polymeriseren. Hierdoor konden de microben een spiereiwit met een hoog moleculair gewicht produceren, titine, dat vervolgens tot vezels werd gesponnen.

Hun onderzoek werd maandag 30 augustus gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Communicatie.

Ook: “Het kan goedkoop zijn om te produceren en schaalbaar. Het kan veel toepassingen mogelijk maken waar mensen eerder aan dachten, maar met natuurlijke toepassingen spiervezelszei Fuzhong Zhang, een professor in het Department of Energy, Environmental and Chemical Engineering. Nu kunnen deze toepassingen tot wasdom komen zonder dat er echt dierlijk weefsel nodig is.

Het kunstmatige spiereiwit dat in het laboratorium van Zhang wordt geproduceerd, is titine, een van de drie belangrijkste eiwitcomponenten in spierweefsel. kritisch voor haar mechanische eigenschappen is de grote moleculaire grootte van titine. “Het is het grootste eiwit dat in de natuur bekend is”, zegt Cameron Sargent, Ph.D. Een student in de afdeling Biologische en Biomedische Wetenschappen en eerste auteur op het papier met Christopher Bowen, PhD onlangs. Afgestudeerd aan de faculteit Energie, Milieu en Chemische Technologie.

Zhang zei dat spiervezels al heel lang een onderwerp van interesse zijn. Onderzoekers hebben geprobeerd materialen te ontwerpen met vergelijkbare spiereigenschappen voor verschillende toepassingen, zoals zachte robotica. “We vroegen ons af: ‘Waarom maken we niet meteen synthetische spieren?'”, zei hij. “Maar we gaan het niet van dieren oogsten, daar gaan we microben voor gebruiken.”

Om enkele van de problemen te omzeilen die normaal gesproken voorkomen dat bacteriën grote eiwitten produceren, heeft het onderzoeksteam bacteriën ontwikkeld om kleinere delen van het eiwit te synthetiseren tot polymeren met een zeer hoog molecuulgewicht van 2 megadalton – ongeveer 50 keer de grootte van de gemiddelde bacteriën. eiwit. Daarna gebruikten ze een nat spinproces om de eiwitten om te zetten in vezels met een diameter van ongeveer tien micron, of een tiende van de dikte van een mensenhaar.

In samenwerking met medewerkers Young Shin Jun, professor in de afdeling Energie, Milieu en Chemische Technologie, en Sinan Keten, professor in de afdeling Werktuigbouwkunde aan de Northwestern University, analyseerde de groep vervolgens de structuur van deze vezels om de moleculaire mechanismen te identificeren die hun unieke combinatie van taaiheid, sterkte en dempingsvermogen, uitzonderlijk, of het vermogen om mechanische energie als warmte af te voeren.

Afgezien van mooie kleding of kogelvrije vesten (nogmaals, de vezels zijn sterker dan Kevlar, het materiaal dat wordt gebruikt in kogelvrije vesten), merkte Sargent op dat dit materiaal ook veel potentiële biomedische toepassingen heeft. Aangezien het bijna identiek is aan de eiwitten die in spierweefsel worden aangetroffen, wordt verondersteld dat dit synthetische materiaal biocompatibel is en dus een geweldig materiaal zou kunnen zijn voor hechtingen, weefselmanipulatie, enz.

Het onderzoeksteam van Zhang is niet van plan om formuleringen te stoppen spier de basis. De toekomst zal waarschijnlijk meer unieke materialen bevatten die mogelijk worden gemaakt door de microbiële synthesestrategie. Bowen, Cameron en Zhang dienden een patentaanvraag in op basis van het onderzoek.

“Het mooie van het systeem is dat het echt een platform is dat overal kan worden toegepast”, zei Sargent. “We kunnen eiwitten uit verschillende natuurlijke contexten nemen, ze vervolgens in dit polymerisatieplatform plaatsen en grotere en langere eiwitten maken voor verschillende materiaaltoepassingen met meer duurzaamheid.”