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クモのシルクを伸ばすと、タンパク質鎖を整列させることでそれが強くなります

エンジニアリングされたスパイダーシルクからの繊維の走査型電子顕微鏡画像。彼らの計算結果を検証するために、北西部のチームは分光法技術を使用して、タンパク質鎖がエンジニアリングされたスパイダーシルクの実際の繊維でどのように伸び、整列したかを調べました。クレジット：セントルイスのワシントン大学 クモが網を回転させると、後ろ足を使ってスピネットから絹の糸を引きます。この引っ張りアクションは、クモがシルクをリリースするのに役立つだけでなく、より耐久性のあるウェブのためにシルクファイバーを強化する上で重要なステップでもあります。 新しい研究では、ノースウェスタン大学の研究者は、ストレッチングの役割がなぜそれほど重要かを発見しました。計算モデルでSpider Silkをシミュレートすることにより、チームは伸縮プロセスが繊維内のタンパク質鎖を整列させ、それらのチェーン間の結合の数を増やすことを発見しました。どちらの要因も、より強力で丈夫な繊維につながります。 その後、チームは、設計されたスパイダーシルクを使用した実験室実験を通じてこれらの計算予測を検証しました。これらの洞察は、研究者がエンジニアリングされたシルクに触発されたタンパク質を設計し、強力で生分解性の縫合糸や丈夫で高性能の爆発性ボディアーマーなど、さまざまな用途向けのスピニングプロセスを設計するのに役立ちます。 研究はに表示されます 科学の進歩。 「研究者は、このストレッチ、または描画が本当に強力な繊維を作るために必要であることをすでに知っていました」と、研究の上級著者であるノースウェスタンのシナン・ケテンは言いました。 「しかし、誰も必ずしも理由を知りませんでした。計算方法では、ナノスケールで何が起こっているのかを調査して、実験的には見られない洞察を得ることができました。 「クモは自然に描画プロセスを実行します」と、研究の最初の著者であるノースウェスタンの研究者であるジェイコブ・グラハムは言いました。 「彼らが絹の腺から絹を回転させると、クモは後ろ足を使って繊維をつかんで引き抜きます。それは繊維が形成されているときに伸びます。繊維を非常に強く弾力性にします。 ケテンは、バイオインスピレーションを受けた材料の専門家であり、エンジニアリングのジェロームB.コーエン教授、機械工学の教授、およびノースウェスタンのマコーミック工学部の土木および環境工学の教授です。グラハムは博士号です。ケテンの研究グループの学生。 スチールよりも強く、ケブラーよりも強い 研究者は、その驚くべき特性のために、長い間Spider Silkに興味を持っています。それは鋼よりも強く、ケブラーよりも丈夫で、伸縮性のあるようなゴムです。しかし、自然の絹の農業クモは高価で、エネルギー集約的で、困難です。そのため、科学者は代わりに、ラボで絹のような材料を再現したいと考えています。 「スパイダーシルクは最も強力な有機繊維です」とグラハムは言いました。 「それには生分解性であるという利点もあります。したがって、それは医療用途にとって理想的な材料です。それは、体内で自然に無害に劣化するため、外科的縫合糸と創傷閉鎖のための接着ゲルに使用できます。」 セントルイスのワシントン大学（ワシュ）のフランシスF.アーマン教授であるフーズン・チャンの共著者であるフズン・チャンは、数年間スパイダーシルク材料を生産するためのエンジニアリング微生物です。エンジニアリングされたスパイダーシルクタンパク質を押し出し、手で伸ばすことにより、チームは壮大な強力なウェブを持つ大きなクモであるゴールデンシルクオーブウィーバーの糸に似た人工繊維を開発しました。 伸縮性のシミュレーション Spider Silkのこの「レシピ」を開発しているにもかかわらず、研究者は紡績プロセスが繊維構造と強度をどのように変えるかをまだ完全に理解していません。この自由回答形式の質問に取り組むために、ケテンとグラハムは、Zhangの人工絹内の分子ダイナミクスをシミュレートするための計算モデルを開発しました。 これらのシミュレーションを通じて、ノースウェスタンチームは、ストレッチングが繊維内のタンパク質の配置にどのように影響するかを調査しました。具体的には、タンパク質の順序、互いにタンパク質の接続、繊維内の分子の動きを伸ばすことがどのように変化するかを調べました。 ケテンとグラハムは、ストレッチングによりタンパク質が並んでいることを発見し、繊維の全体的な強度が増加しました。彼らはまた、ストレッチングが繊維を構成するためにタンパク質鎖間の橋のように作用する水素結合の数を増加させることを発見しました。水素結合の増加は、繊維の全体的な強度、靭性、弾力性に寄与している、と研究者は発見した。 「繊維が押し出されると、その機械的特性は実際には非常に弱い」とグラハムは言った。 「しかし、初期の長さの6倍まで伸びると、非常に強くなります。」 最新の科学、技術、スペースを発見してください 100,000人の加入者 毎日の洞察をPhys.orgに頼っている人。無料のニュースレターにサインアップし、問題が重要なブレークスルー、イノベーション、研究の最新情報を入手してください。毎日または毎週。 実験的検証 計算上の調査結果を検証するために、チームは分光法技術を使用して、Washuチームの実際の繊維でタンパク質鎖がどのように伸び、整列したかを調べました。また、引張試験を使用して、繊維がどれだけの伸びを許容できるかを確認しました。実験結果は、シミュレーションの予測と一致しました。 「材料を伸ばさなければ、タンパク質のこれらの球形群れがあります」とグラハムは言いました。 「しかし、ストレッチングはこれらの球体を相互接続されたネットワークに変えます。タンパク質鎖は互いに積み重ねられ、ネットワークはますます相互接続されます。バンドルされたタンパク質は、繊維の破損の前により多くの解明とさらに伸びる可能性がありますが、最初に拡張されたタンパク質は、より多くの力を切断する必要がある拡張性の低い繊維になります。」 グラハムはかつてスパイダーは不気味なクローリーだと思っていましたが、彼は今では本当の問題を解決するための彼らの可能性を見ています。彼は、エンジニアリングされたスパイダーシルクは、ほとんどが石油由来のプラスチックである他の合成材料に代わる、より強力で生分解性の代替品を提供すると指摘しています。 「私は間違いなく新しい光の中でクモを見ています」とグラハムは言いました。 「以前は迷惑だと思っていました。今、私はそれらを魅力の源と見なしています。」 詳細： Jacob Graham…