Spinnenseide wird erstmals von gentechnisch veränderten Seidenraupen gesponnen

Chinesischen Wissenschaftlern ist es gelungen, Spinnenseide aus gentechnisch veränderten Seidenraupen herzustellen und dabei eine Faser herzustellen, die viel stärker ist als Kevlar. Im Magazin veröffentlicht ThemaDiese bahnbrechende Studie präsentiert eine potenzielle umweltfreundliche Alternative zu kommerziellen synthetischen Fasern. Die Ergebnisse haben weitreichende Auswirkungen, die von chirurgischen Nähten bis hin zu Innovationen im Militär-, Luft- und Raumfahrt- und biomedizinischen Bereich reichen.

Wissenschaftler in China haben eine Methode zur Herstellung von Spinnenseide aus gentechnisch veränderten Seidenraupen entwickelt und bieten damit eine starke und nachhaltige Alternative zu synthetischen Fasern mit Anwendungen in verschiedenen Branchen.

Die Forscher stellten Spinnenseide aus gentechnisch veränderten Seidenraupen her und produzierten eine Faser, die sechsmal stärker ist als die Kevlar-Faser, die in kugelsicheren Westen verwendet wird. Die Studie wurde am 20. September in der Zeitschrift veröffentlicht Themawar der erste, der mit Hilfe von Seidenraupen erfolgreich Spinnenseidenproteine ​​in voller Länge herstellte. Die Ergebnisse demonstrieren eine Technologie, mit der eine umweltfreundliche Alternative zu synthetischen kommerziellen Fasern wie Nylon hergestellt werden kann.

„Seidenraupenseide ist derzeit die einzige tierische Seidenfaser, die weithin kommerzialisiert wird und bewährte Züchtungstechniken zum Einsatz kommt“, sagte Mei. „Daher ermöglicht die Verwendung gentechnisch veränderter Seidenraupen zur Herstellung von Spinnenseidenfasern eine kostengünstige und groß angelegte Kommerzialisierung.“

Bild von Zwangswalzenseide. Bildnachweis: Junpeng Mei

Nachhaltigkeit von Spinnenseide

Wissenschaftler betrachten Spinnenseide als attraktive, nachhaltige Alternative zu synthetischen Fasern, die schädliches Mikroplastik in die Umwelt abgeben können und häufig aus fossilen Brennstoffen hergestellt werden, die Treibhausgasemissionen verursachen. Doch die Suche nach Alternativen in der Natur ist nicht ohne Herausforderungen. Früher entwickelte Verfahren zum Spinnen synthetischer Spinnenseide hatten Schwierigkeiten, eine Oberflächenschicht aus Glykoproteinen und Lipiden auf die Seide aufzutragen, damit sie Feuchtigkeit und Sonneneinstrahlung standhält – eine Anti-Aging-„Hautschicht“, die Spinnen auf ihre Netze auftragen.

Laut Mee bieten gentechnisch veränderte Seidenraupen eine Lösung für dieses Problem, da die Seidenraupen ihre Fasern mit einer ähnlichen Schutzschicht überziehen.

„Spinnenseide stellt eine strategische Ressource dar, die dringend erforscht werden muss“, sagte Junping Mei, Doktorand an der School of Bioscience and Medical Engineering der Donghua University und Erstautor der Studie. „Die außergewöhnlich hohe mechanische Leistung der in dieser Studie hergestellten Fasern ist in diesem Bereich vielversprechend. Diese Art von Fasern kann als chirurgisches Nahtmaterial verwendet werden, um einen weltweiten Bedarf von über 300 Millionen chirurgischen Eingriffen pro Jahr zu decken.“

Spinnenseidenfasern könnten laut Mei auch zur Herstellung bequemerer Kleidung und innovativer kugelsicherer Westen verwendet werden und könnten in intelligenten Materialien, im Militär, in der Luft- und Raumfahrttechnik und in der biomedizinischen Technik Anwendung finden.

Seidenfaser, die von gentechnisch veränderten Seidenraupen hergestellt wird. Bildnachweis: Junpeng Mei

Syntheseprozess und Herausforderungen

Um Spinnenseide aus Seidenraupen zu spinnen, fügten Mei und sein Team Spinnenseidenprotein-Gene in die Zelle ein DNA Von Seidenraupen bis hin zur Expression in ihren Drüsen mithilfe einer Kombination aus CRISPR-Cas9-Genbearbeitungstechnologie und Hunderttausenden Mikroinjektionen in befruchtete Seidenraupeneier. Mei sagte, dass ICSI „eine der größten Herausforderungen“ in der Studie darstelle, aber als er sah, wie die Augen der Seidenraupen unter einem Fluoreszenzmikroskop rot leuchteten – ein Zeichen für eine erfolgreiche Genbearbeitung –, war er begeistert.

„Ich habe getanzt und bin praktisch zum Büro von Professor Meng Qing gerannt, um dieses Ergebnis mitzuteilen“, sagte Mei. „Ich erinnere mich noch genau an diese Nacht, die Aufregung hielt mich wach.“

Die Forscher mussten auch „Lokalisierungsmodifikationen“ an den gentechnisch veränderten Spinnenseidenproteinen vornehmen, damit diese korrekt mit Proteinen in den Seidenraupendrüsen interagierten und so sicherstellten, dass die Fasern korrekt gesponnen wurden. Um die Modifikationen zu steuern, entwickelte das Team ein „Miniatur-Grundstrukturmodell“ von Seidenraupenseide.

„Das in dieser Arbeit vorgestellte Konzept der ‚Lokalisierung‘ stellt zusammen mit dem vorgeschlagenen einfachen Strukturmodell eine deutliche Abweichung von früheren Forschungen dar“, sagt Mee. „Wir sind zuversichtlich, dass eine groß angelegte Kommerzialisierung bevorsteht.“

Zukunftsaussichten

Künftig plant Mei, die in der aktuellen Studie gewonnenen Erkenntnisse über die Haltbarkeit und Festigkeit von Spinnenseidenfasern zu nutzen, um gentechnisch veränderte Seidenraupen zu entwickeln, die Spinnenseidenfasern aus natürlichen und technischen Materialien produzieren. Aminosäuren.

„Die Einführung von mehr als hundert manipulierten Aminosäuren birgt ein grenzenloses Potenzial für manipulierte Spinnenseidenfasern“, sagt Mei.

Referenz: „Hochfeste und extrem robuste Spinnenseidenfaser, gesponnen aus gentechnisch veränderten Seidenraupen“ von Junpeng Mi, Yizhong Zhou, Sanyuan Ma, Xingping Zhou, Shouying Xu, Yuchen Yang, Yuan Sun, Qingyou Xia, Hongnian Zhu, Suyang Wang , Luoyang Tian und Cheng Meng, 20. September 2023, Thema.
doi: 10.1016/j.matt.2023.08.013

Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China, Schlüsselprojekten der Shanghai Municipal Science and Technology Commission, internationalen Kooperationsprojekten der Shanghai Municipal Science and Technology Commission und den Fundamental Research Funds für die Zentraluniversitäten unterstützt.