刀槍不入？改造微生物生產人造肌肉纖維，比“裝甲衛士”凱夫拉更堅韌

凱夫拉防彈效果

近日，華人教授Fuzhong Zhang作為通訊作者在Nature Communications上發表了一篇題目為“微生物生產肌聯蛋白的纖維具有優越的機械性能”的論文，論文講述了該團隊采用合成生物學方法，將蛋白質聚合在工程微生物內部。利用這項技術，研究小組設計了高分子量肌聯蛋白的微生物生產，然后被紡成纖維。

測試表明，這些纖維優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能源、環境與化學工程系助理教授，其專注于合成生物學領域研究。此前，他用微生物方法生產了比蜘蛛絲更堅韌的人造蜘蛛絲。

Fuzhong Zhang

1比凱夫拉更強

人工肌肉纖維一直是人們感興趣的話題，研究人員嘗試設計具有與肌肉相似特性的材料，從而滿足各種應用場景，比如軟機器人。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動特性的技能。

而Fuzhong Zhang團隊利用微生物生產的人工肌肉纖維，則比棉、絲、尼龍，甚至凱夫拉更強。

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

肌聯蛋白

肌肉的多尺度結構和肌蛋白在大腸桿菌中硅基聚合的示意圖

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

研究人員設計了微生物生產的肌蛋白聚合物可以生產高性能纖維，其不僅具有天然肌蛋白的高度理想的特性（即高阻尼能力和機械恢復），而且還具有高強度、韌性和阻尼能量，優于許多合成和天然聚合物。

打造該材料的關鍵在于生產肌聯蛋白，肌聯蛋白是已知的最大的蛋白質。

工程微生物可用于一些小分子化合物的規模化生產，生產巨大蛋白質仍面臨很多挑戰。

研究人員指出，“由于遺傳不穩定、翻譯效率低和代謝負擔，這些超高分子量重復蛋白在微生物中極其難以產生。”

為了避免一些通常會阻礙細菌生產大型蛋白質的問題，研究小組設計了一種細菌，將肌聯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，這大約是一般細菌蛋白質大小的50倍。然后，他們使用濕紡工藝將蛋白質轉化為直徑約10微米的纖維，相當于人類頭發厚度的十分之一。

2第一個從肌聯蛋白中生產工程宏觀材料

研究人員分析了這些纖維的結構，確定了其獨特的韌性、強度和阻尼能力的分子機制。

結構分析表明，這些肌聯蛋白纖維包含軸向對齊、并排對的Ig樣域。

研究人員寫道：“結構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特鏈間結晶，這些域可以抵抗鏈間滑移，同時允許鏈內展開。”

研究人員稱，這一成就代表了第一個從肌聯蛋白中生產的工程宏觀材料的例子。

微生物生產的超高分子量肌蛋白纖維的力學測試顯示，纖維具有高韌性、阻尼能力和機械恢復，可以相比天然肌肉纖維

“通過利用微生物的生物合成能力，這項工作已經生產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械性能（即高阻尼能力和快速機械恢復），而且具有高強度和韌性，甚至比許多人造和天然的高性能纖維還要高。”他們寫道。

3應用領域廣泛

作者指出，生物學一直是材料設計的靈感來源。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可生物降解材料的例子，像異常堅韌的昆蟲蠶絲、水下黏附貽貝、抗壓珍珠鮑魚、昆蟲節肢彈性蛋白。

“在許多情況下，這些天然材料的性能優于現存最佳的石油基產品，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，可以促進這些高性能可再生材料的發展。”研究人員補充道。

至于該纖維的應用領域，研究人員稱，這種材料除了有可能用于制作衣服或防護盔甲外，還可以應用于生物醫學領域。

由于它與肌肉組織中的蛋白質幾乎相同，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。“這種纖維的機械性能、可持續生產過程和生物降解性的完美結合，使其應用從生物醫學到商業紡織品（如反彈道材料、織網、縫合線、和組織工程），”該團隊進一步說道。

“它可以實現低成本、大規模生產，”Fuzhong Zhang說，“這可能會實現人們之前想到的許多使用天然肌肉纖維的應用。”

Fuzhong Zhang的研究團隊并不打算止步于人造肌肉纖維，未來可能會有更多獨特的材料。幾位研究人員已經根據這項研究申請了專利。（摘自美《深科技》）（編輯/費勒萌）