刀槍不入？改造微生物生產(chǎn)人造肌肉纖維，比“裝甲衛(wèi)士”凱夫拉更堅(jiān)韌

凱夫拉防彈效果

近日，華人教授Fuzhong Zhang作為通訊作者在Nature Communications上發(fā)表了一篇題目為“微生物生產(chǎn)肌聯(lián)蛋白的纖維具有優(yōu)越的機(jī)械性能”的論文，論文講述了該團(tuán)隊(duì)采用合成生物學(xué)方法，將蛋白質(zhì)聚合在工程微生物內(nèi)部。利用這項(xiàng)技術(shù)，研究小組設(shè)計(jì)了高分子量肌聯(lián)蛋白的微生物生產(chǎn)，然后被紡成纖維。

測(cè)試表明，這些纖維優(yōu)于許多合成和天然聚合物。

Fuzhong Zhang于2012年成為圣路易斯華盛頓大學(xué)能源、環(huán)境與化學(xué)工程系助理教授，其專注于合成生物學(xué)領(lǐng)域研究。此前，他用微生物方法生產(chǎn)了比蜘蛛絲更堅(jiān)韌的人造蜘蛛絲。

Fuzhong Zhang

1比凱夫拉更強(qiáng)

人工肌肉纖維一直是人們感興趣的話題，研究人員嘗試設(shè)計(jì)具有與肌肉相似特性的材料，從而滿足各種應(yīng)用場(chǎng)景，比如軟機(jī)器人。此前，MIT的研究人員利用普通的尼龍纖維制作人工肌肉纖維，能模擬天然肌肉組織彎曲運(yùn)動(dòng)特性的技能。

而Fuzhong Zhang團(tuán)隊(duì)利用微生物生產(chǎn)的人工肌肉纖維，則比棉、絲、尼龍，甚至凱夫拉更強(qiáng)。

凱夫拉是20世紀(jì)60年代，美國杜邦公司研制出的一種新型芳綸纖維復(fù)合材料，這種新型材料密度低、強(qiáng)度高、韌性好、耐高溫、易于加工和成型，其強(qiáng)度為同等質(zhì)量鋼鐵的5倍，但密度僅為鋼鐵的1/5。由于凱夫拉品牌產(chǎn)品材料堅(jiān)韌耐磨、剛?cè)嵯酀?jì)，具有刀槍不入的特殊本領(lǐng)。在軍事上被稱之為“裝甲衛(wèi)士”，常常和碳纖維一起相提并論。

肌聯(lián)蛋白

肌肉的多尺度結(jié)構(gòu)和肌蛋白在大腸桿菌中硅基聚合的示意圖

該論文表示，雖然現(xiàn)在工程微生物已經(jīng)用于可再生生產(chǎn)許多小分子，但是直接微生物合成高性能聚合物材料仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

研究人員設(shè)計(jì)了微生物生產(chǎn)的肌蛋白聚合物可以生產(chǎn)高性能纖維，其不僅具有天然肌蛋白的高度理想的特性（即高阻尼能力和機(jī)械恢復(fù)），而且還具有高強(qiáng)度、韌性和阻尼能量，優(yōu)于許多合成和天然聚合物。

打造該材料的關(guān)鍵在于生產(chǎn)肌聯(lián)蛋白，肌聯(lián)蛋白是已知的最大的蛋白質(zhì)。

工程微生物可用于一些小分子化合物的規(guī)?；a(chǎn)，生產(chǎn)巨大蛋白質(zhì)仍面臨很多挑戰(zhàn)。

研究人員指出，“由于遺傳不穩(wěn)定、翻譯效率低和代謝負(fù)擔(dān)，這些超高分子量重復(fù)蛋白在微生物中極其難以產(chǎn)生?！?/p>

為了避免一些通常會(huì)阻礙細(xì)菌生產(chǎn)大型蛋白質(zhì)的問題，研究小組設(shè)計(jì)了一種細(xì)菌，將肌聯(lián)蛋白的小片段拼接在一起，形成約2兆道爾頓大小的超高分子量聚合物，這大約是一般細(xì)菌蛋白質(zhì)大小的50倍。然后，他們使用濕紡工藝將蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化為直徑約10微米的纖維，相當(dāng)于人類頭發(fā)厚度的十分之一。

2第一個(gè)從肌聯(lián)蛋白中生產(chǎn)工程宏觀材料

研究人員分析了這些纖維的結(jié)構(gòu)，確定了其獨(dú)特的韌性、強(qiáng)度和阻尼能力的分子機(jī)制。

結(jié)構(gòu)分析表明，這些肌聯(lián)蛋白纖維包含軸向?qū)R、并排對(duì)的Ig樣域。

研究人員寫道：“結(jié)構(gòu)分析和分子建模表明，這些特性源自折疊免疫球蛋白樣域的獨(dú)特鏈間結(jié)晶，這些域可以抵抗鏈間滑移，同時(shí)允許鏈內(nèi)展開?！?/p>

研究人員稱，這一成就代表了第一個(gè)從肌聯(lián)蛋白中生產(chǎn)的工程宏觀材料的例子。

微生物生產(chǎn)的超高分子量肌蛋白纖維的力學(xué)測(cè)試顯示，纖維具有高韌性、阻尼能力和機(jī)械恢復(fù)，可以相比天然肌肉纖維

“通過利用微生物的生物合成能力，這項(xiàng)工作已經(jīng)生產(chǎn)出了一種新型高性能材料，這種材料不僅具有天然肌肉纖維最理想的機(jī)械性能（即高阻尼能力和快速機(jī)械恢復(fù)），而且具有高強(qiáng)度和韌性，甚至比許多人造和天然的高性能纖維還要高?！彼麄儗懙?。

3應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

作者指出，生物學(xué)一直是材料設(shè)計(jì)的靈感來源。在大自然中，就有很多通過低消耗、高性能、可生物降解的工藝從可再生原料中生產(chǎn)可生物降解材料的例子，像異常堅(jiān)韌的昆蟲蠶絲、水下黏附貽貝、抗壓珍珠鮑魚、昆蟲節(jié)肢彈性蛋白。

“在許多情況下，這些天然材料的性能優(yōu)于現(xiàn)存最佳的石油基產(chǎn)品，但是，許多高性能的天然材料不能直接從原生來源獲取，因此，利用微生物生產(chǎn)，可以促進(jìn)這些高性能可再生材料的發(fā)展?！毖芯咳藛T補(bǔ)充道。

至于該纖維的應(yīng)用領(lǐng)域，研究人員稱，這種材料除了有可能用于制作衣服或防護(hù)盔甲外，還可以應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

由于它與肌肉組織中的蛋白質(zhì)幾乎相同，這種合成材料可能具有生物相容性，因此可能是縫合、組織工程等方面的材料?！斑@種纖維的機(jī)械性能、可持續(xù)生產(chǎn)過程和生物降解性的完美結(jié)合，使其應(yīng)用從生物醫(yī)學(xué)到商業(yè)紡織品（如反彈道材料、織網(wǎng)、縫合線、和組織工程），”該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步說道。

“它可以實(shí)現(xiàn)低成本、大規(guī)模生產(chǎn)，”Fuzhong Zhang說，“這可能會(huì)實(shí)現(xiàn)人們之前想到的許多使用天然肌肉纖維的應(yīng)用?！?/p>

Fuzhong Zhang的研究團(tuán)隊(duì)并不打算止步于人造肌肉纖維，未來可能會(huì)有更多獨(dú)特的材料。幾位研究人員已經(jīng)根據(jù)這項(xiàng)研究申請(qǐng)了專利。（摘自美《深科技》）（編輯/費(fèi)勒萌）