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2024-01-23 11:20:53
強度、柔軟性、軽量さで有名なクモの糸は、同じ直径の鋼鉄に匹敵する引張強度を持っています。 さらに、生体適合性（医療用途で使用できることを意味します）であり、生分解性もあります。 しかし、クモから糸を大規模に採取することは、いくつかの理由から非現実的であることが判明している。 したがって、科学者たちは実験室でそれを生成するメカニズムの開発に取り組んできました。
今回、日本の理化学研究所環境資源科学研究センターの研究者らは、天然のクモの糸によく似た人工のクモの糸を紡ぐ装置を開発した。 人工絹糸腺は、クモの絹糸腺で自然に起こるさまざまな化学的および物理的変化を模倣することにより、絹の複雑な分子構造を再現することができました。
この作品は、 ネイチャーコミュニケーションズ 新聞では、「マイクロ流体工学によるクモの糸のせん断媒介自己集合の再現。」
マイクロ流体デバイス。 前駆体スピドロイン溶液を一方の端に置き、負圧によってもう一方の端に向かって引っ張ります。 スピドロインがマイクロ流体チャネルを通って流れるとき、スピドロインは化学的および物理的環境の正確な変化にさらされ、自己集合して絹繊維になります。
[RIKEN]クモの糸は、高度な反復配列を持つ大きなタンパク質であるスピドロインから作られる生体高分子繊維です。 シルク繊維内にはベータシートがあり、シルク繊維が独自の機械的特性を持つためにはベータシートが適切に配列されている必要があります。 このプロセスを再現するために、理研の科学者たちは生体模倣のアプローチを採用しました。 「この研究では、狭いチャネルを通る少量の流体の流れと操作を含むマイクロ流体工学を使用して、天然のクモの糸の生成を模倣しようとしました」と、生体材料化学研究室の教授で高分子材料化学の教授である沼田啓司博士は説明しました。 、京都大学。 「確かに、クモの糸腺は一種の天然のマイクロ流体デバイスとして機能していると言えるでしょう。」
これを行うために、組換え MaSp2 スピドロインに基づく前駆体スピドロイン溶液を、チャネルを含む小さな長方形の箱の一端に置き、陰圧によってもう一方の端に向かって引っ張りました。 スピドロインはマイクロ流体チャネルを通って流れるため、化学的および物理的環境の正確な変化にさらされます。 正しい条件下では、タンパク質は自己集合して、特徴的な複雑な構造をもつ絹繊維になります。
より具体的には、この戦略には「イオンによる液液相分離、pHによるフィブリル化、せん断依存的なβシート形成の誘導が組み込まれている」。
とりわけ、研究者らは力を使ってタンパク質を押し通すのは効果がないことを発見した。 スピドロイン溶液を引き出すために負圧を使用した場合にのみ、ベータシートの正確な明白な配置を備えた連続絹繊維を組み立てることができました。
「さまざまな条件が確立され、最適化されると、マイクロ流体システムがどれほど堅牢になるかは驚きでした」と理化学研究所の研究員、アリ・マレー氏は述べています。 「繊維の集合は自発的かつ非常に迅速で、再現性が高かった。 重要なのは、この繊維が天然シルク繊維に見られる明確な階層構造を示していたことです。」
著者らは、「繊維の形成には約 72 Pa のせん断応力の閾値が必要であり、β シートの形成は反復配列内のポリアラニン ブロックの存在に依存している」と書いています。 形成された MaSp2 繊維は、111 Pa のせん断応力要件を持つ天然のドラグラインに匹敵するβシート含有量 (29.2%) を持っています。」
この方法を使用してシルク繊維を人工的に生産できることは、現在の繊維製造が環境に与える悪影響を軽減するのに役立つだけでなく、クモの糸の生分解性と生体適合性の性質により、縫合糸や人工靱帯などの生物医学的用途に理想的です。
「理想的には、現実世界に影響を与えたいと考えています」と沼田氏は言います。 「これを実現するには、繊維製造方法をスケールアップし、連続プロセスにする必要があります。 また、いくつかの指標を使用して人工クモの糸の品質を評価し、そこからさらなる改善を行っていきます。」
#マイクロ流体工学を使用して紡糸された人工クモの糸は天然繊維を模倣しています