Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Thiên nhiên đã phát triển các chất dựa trên protein với các tính chất cơ học cạnh tranh ngay cả các vật liệu tổng hợp tốt nhất. Pound cho pound, tơ nhện mạnh hơn và cứng hơn thép. Nhưng không giống như thép, sợi tự nhiên không thể được sản xuất hàng loạt. Hôm nay, các nhà khoa học báo cáo một phương pháp trong đó vi khuẩn sản xuất tơ nhện và các protein khác có thể hữu ích trong các nhiệm vụ không gian.
Thiên nhiên đã phát triển các chất dựa trên protein với các tính chất cơ học cạnh tranh ngay cả các vật liệu tổng hợp tốt nhất. Ví dụ, pound cho pound, tơ nhện mạnh hơn và cứng hơn thép. Nhưng không giống như thép, sợi tự nhiên không thể được sản xuất hàng loạt. Hôm nay, các nhà khoa học báo cáo một phương pháp mới tận dụng vi khuẩn được thiết kế để sản xuất tơ nhện và các protein khó tạo khác có thể hữu ích trong các sứ mệnh không gian trong tương lai.
Các nhà nghiên cứu sẽ trình bày kết quả của họ ngày hôm nay tại Hội nghị & Triển lãm quốc gia Mùa xuân 2019 của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ (ACS).
“Trong tự nhiên, có rất nhiều vật liệu dựa trên protein có tính chất cơ học đáng kinh ngạc, nhưng việc cung cấp các vật liệu này rất hạn chế”, Fuzhong Zhang, tiến sĩ, nhà điều tra chính của dự án cho biết. “Phòng thí nghiệm của tôi quan tâm đến các vi khuẩn kỹ thuật để chúng tôi không chỉ có thể sản xuất các vật liệu này mà còn làm cho chúng thậm chí còn tốt hơn.”
Nếu được sản xuất với số lượng đủ, tơ nhện có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau, từ vải chống đạn đến chỉ khâu phẫu thuật. Nhưng tơ nhện không dễ nuôi – nhện tạo ra số lượng nhỏ và một số loài biến thành ăn thịt đồng loại khi được nuôi theo nhóm. Do đó, các nhà khoa học đã thử vi khuẩn kỹ thuật, nấm men, thực vật và thậm chí cả dê để sản xuất tơ nhện, nhưng chúng vẫn chưa thể tái tạo hoàn toàn các tính chất cơ học của sợi tự nhiên.
Một phần của vấn đề là protein tơ nhện được mã hóa bởi các chuỗi DNA rất dài, lặp đi lặp lại. Nhện đã phát triển các cách để giữ các chuỗi này trong bộ gen của chúng. Nhưng khi các nhà khoa học đưa loại DNA này vào các sinh vật khác, các gen này rất không ổn định, thường bị cắt hoặc thay đổi bởi bộ máy tế bào của vật chủ. Zhang và các đồng nghiệp tại Đại học Washington ở St. Louis tự hỏi liệu họ có thể phá vỡ các chuỗi dài, lặp đi lặp lại thành các khối ngắn hơn mà vi khuẩn có thể xử lý và tạo thành protein. Sau đó, các nhà nghiên cứu có thể lắp ráp các protein ngắn hơn thành sợi tơ nhện dài hơn.
Nhóm nghiên cứu đã giới thiệu gen cho vi khuẩn mã hóa hai mảnh protein tơ nhện, mỗi bên được xếp theo một chuỗi gọi là tĩnh mạch phân chia. Các intein tách là các chuỗi protein xuất hiện tự nhiên với hoạt động của enzyme: Hai intein tách trên các đoạn protein khác nhau có thể tham gia và sau đó tự cắt ra để tạo ra protein nguyên vẹn. Sau khi giới thiệu gen, các nhà nghiên cứu đã phá vỡ vi khuẩn và tinh chế những mẩu protein tơ nhện ngắn. Trộn các mảnh vỡ khiến chúng liên kết với nhau thông qua “keo” của chuỗi tĩnh mạch phân tách, sau đó tự cắt ra để tạo ra protein có chiều dài đầy đủ. Khi tách thành sợi, tơ nhện được sản xuất vi sinh có tất cả các đặc tính của tơ nhện tự nhiên, bao gồm độ bền, độ dẻo dai và độ co giãn đặc biệt.
Các nhà nghiên cứu có thể tạo ra các protein lặp đi lặp lại khác nhau chỉ bằng cách hoán đổi DNA tơ nhện và đưa các chuỗi khác vào vi khuẩn. Ví dụ, các nhà nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật này để tạo ra protein từ vẹm bám dính mạnh vào bề mặt. Protein một ngày nào đó có thể được áp dụng như một chất kết dính dưới nước. Bây giờ, các nhà nghiên cứu đang làm việc để hợp lý hóa quá trình và để phản ứng tham gia protein có thể xảy ra bên trong các tế bào vi khuẩn. Điều này sẽ cải thiện hiệu quả và tiềm năng tự động hóa của hệ thống vì các nhà nghiên cứu sẽ không phải tinh chế hai phần protein và sau đó ủ chúng lại với nhau.
Ngoài các ứng dụng ở đây trên Trái đất, hệ thống sản xuất protein của vi khuẩn có thể hữu ích trong các nhiệm vụ không gian, Zhang lưu ý. “NASA là một trong những nhà tài trợ của chúng tôi và họ quan tâm đến việc sinh sản,” ông nói. “Họ hiện đang phát triển các công nghệ trong đó họ có thể chuyển đổi carbon dioxide thành carbohydrate có thể được sử dụng làm thực phẩm cho các vi khuẩn mà chúng tôi chế tạo. Bằng cách đó, các phi hành gia có thể sản xuất các vật liệu dựa trên protein này trong không gian mà không cần mang theo một lượng lớn nguyên liệu. “
Nguồn tin tức:
Tài liệu được cung cấp bởi Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.