刀枪不入？改造微生物生产人造肌肉纤维，比“装甲卫士”凯夫拉更坚韧

凯夫拉尔防弹效果

最近，中国教授张付中作为通讯作者在《自然通讯》上发表了一篇题为“微生物生产的纤维具有优越的机械性能”的论文。该论文描述了该团队使用合成生物学方法在工程微生物中聚合蛋白质。利用这项技术，研究小组设计了高分子量肌钙蛋白的微生物生产，然后将其纺成纤维。

测试表明，这些纤维优于许多合成和天然聚合物。

张付中于2012年成为圣路易斯华盛顿大学能源、环境和化学工程系的助理教授，专注于合成生物学领域的研究。此前，他使用微生物方法生产比蜘蛛丝更坚韧的人造蜘蛛丝。张付中

1比凯夫拉尔更坚固

人造肌纤维一直是人们感兴趣的话题。研究人员试图设计出与肌肉特性相似的材料，以满足各种应用场景，比如软性机器人。此前，麻省理工学院的研究人员使用普通尼龙纤维制作人造肌肉纤维，可以模拟天然肌肉组织的弯曲运动特征。

然而，张付中的团队利用微生物生产的人造肌肉纤维比棉花、丝绸、尼龙甚至凯夫拉尔纤维都要坚固。

Kevlar是美国杜邦公司于20世纪60年代开发的一种新型芳纶纤维复合材料。这种新材料密度低、强度高、韧性好、耐高温、易于加工成型。它的强度是同质量钢的五倍，但密度只有钢的五分之一。由于凯夫拉品牌产品材料坚韧耐磨，刚柔并济，具有刀枪不入的特殊能力。在军事上被称为“装甲卫士”，常与碳纤维相提并论。蒂廷

大肠杆菌中肌肉多尺度结构和肌肉蛋白硅基聚合示意图

该论文指出，尽管工程微生物已经被用来可重复地生产许多小分子，但是高性能聚合物材料的直接微生物合成仍然是一个挑战。

研究人员设计出微生物产生的肌肉蛋白聚合物可以产生高性能纤维，不仅具有天然肌肉蛋白的高度可取的特性(即高阻尼能力和机械恢复)，还具有高强度、韧性和阻尼能量，优于许多合成和天然聚合物。

构建这种材料的关键在于肌钙蛋白的产生，肌钙蛋白是已知最大的蛋白质。

工程微生物可以用于一些小分子化合物的大规模生产，巨型蛋白的生产还有很多挑战。

研究人员指出，“由于遗传不稳定性、翻译效率低和代谢负担，这些超高分子量重复蛋白极难在微生物中产生。”

为了避免一些通常阻止细菌产生大蛋白的问题，研究小组设计了一种细菌，它将肌钙蛋白的小片段拼接在一起，形成一种超高分子量聚合物，大小约为2兆道尔顿，约为普通细菌蛋白质大小的50倍。然后，他们使用湿纺工艺将蛋白质转化为直径约为10微米的纤维，相当于人类头发粗细的十分之一。2.第一个从纤连蛋白生产工程宏材料。

研究人员分析了这些纤维的结构，并确定了它们独特的韧性、强度和阻尼能力的分子机制。

结构分析表明，这些肌钙蛋白纤维包含轴向排列和并排的免疫球蛋白样结构域。

研究人员写道:“结构分析和分子建模表明，这些特征来自折叠免疫球蛋白样结构域的独特链间结晶，它可以抵抗链间滑移，同时允许链内扩张。”

根据研究人员的说法，这项成果代表了从肌粘连蛋白生产工程宏观材料的第一个例子。

微生物生产的超高分子量肌蛋白纤维的力学测试表明，该纤维具有较高的韧性、阻尼能力和力学回复性，可与天然肌纤维相媲美。

“通过利用微生物的生物合成能力，这项工作产生了一种新型的高性能材料，它不仅具有天然肌纤维最理想的力学性能(即高阻尼能力和快速的力学恢复)，而且具有高强度和韧性，甚至高于许多人工和天然的高性能纤维。”他们写道。3.广泛的应用领域

作者指出，生物学一直是材料设计的灵感来源。在自然界中，通过低消耗、高性能、可生物降解的工艺，利用可再生原料生产可生物降解材料的例子很多，比如异常坚韧的昆虫丝、水下附着贻贝、耐压珍珠鲍鱼、昆虫节肢动物弹性蛋白等。

“在许多情况下，这些天然材料的性能优于现有的最佳石油产品。然而，许多高性能的天然材料不能直接从一次来源获得。因此，可以通过微生物生产来促进这些高性能可再生材料的发展。”研究人员补充道。

至于这种纤维的应用领域，研究人员表示，除了制作衣服或防护装甲，这种材料还可以用于生物医学领域。

由于它与肌肉组织中的蛋白质几乎相同，这种合成材料可能具有生物相容性，因此它可能是缝合、组织工程等的材料。“这种纤维的机械性能、可持续生产工艺和生物降解性的完美结合，使其应用范围从生物医学到商业纺织品(如防弹材料、织网、缝合和组织工程)，”该团队进一步表示。

“它可以实现低成本、大规模生产，”张付中说。"这可能实现人们在使用天然肌肉纤维之前想到的许多应用."

张付中的研究团队不打算止步于人造肌肉纤维，未来可能会有更多独特的材料。一些研究人员已经根据这项研究申请了专利。(摘自深度科技)(编辑/费列曼)