近日，华人教授 Fuzhong Zhang 作为通讯作者在 Nature Communications 上发表了一篇题目为 “微生物生产肌联蛋白（titin）的纤维具有优越的机械性能” 的论文，论文讲述了该团队采用合成生物学方法，将蛋白质聚合在工程微生物内部。利用这项技术，研究小组设计了高分子量肌联蛋白的微生物生产，然后被纺成纤维。
测试表明，这些纤维优于许多合成和天然聚合物。
Fuzhong Zhang 于 2012 年成为圣路易斯华盛顿大学能源、环境与化学工程系助理教授，其专注于合成生物学领域研究。此前，他用微生物方法生产了比蜘蛛丝更坚韧的人造蜘蛛丝。
图 | Fuzhong Zhang (来源：华盛顿大学）

比凯夫拉更强

人工肌肉纤维一直是人们感兴趣的话题，研究人员尝试设计具有与肌肉相似特性的材料，从而满足各种应用场景，比如软机器人。此前，MIT 的研究人员利用普通的尼龙纤维制作人工肌肉纤维，能模拟天然肌肉组织弯曲运动特性的技能。
而 Fuzhong Zhang 团队利用微生物生产的人工肌肉纤维，则比棉、丝、尼龙，甚至凯夫拉（Kevlar）更强。
凯夫拉是上世纪 60 年代，美国杜邦公司研制出的一种新型芳纶纤维复合材料，这种新型材料密度低、强度高、韧性好、耐高温、易于加工和成型，其强度为同等质量钢铁的 5 倍，但密度仅为钢铁的五分之一。由于凯夫拉品牌产品材料坚韧耐磨、刚柔相济，具有刀枪不入的特殊本领。在军事上被称之为 “装甲卫士”，常常和碳纤维一起相提并论。
图 | 凯夫拉防弹效果
该论文表示，虽然现在工程微生物已经用于可再生生产许多小分子，但是直接微生物合成高性能聚合物材料仍然是一个挑战。
研究人员设计了微生物生产的肌蛋白聚合物可以生产高性能纤维，其不仅具有天然肌蛋白的高度理想的特性 (即高阻尼能力和机械恢复)，而且还具有高强度、韧性和阻尼能量，优于许多合成和天然聚合物。
打造该材料的关键在于生产肌联蛋白，肌联蛋白是已知的最大的蛋白质。
图 | 肌联蛋白（来源：论文）
工程微生物可用于一些小分子化合物的规模化生产，生产巨大蛋白质仍面临很多挑战。
研究人员指出，“由于遗传不稳定、翻译效率低和代谢负担，这些超高分子量重复蛋白在微生物中极其难以产生。”
图 | 肌肉的多尺度结构和肌蛋白在大肠杆菌中硅基聚合的示意图（来源：论文）
为了避免一些通常会阻碍细菌生产大型蛋白质的问题，研究小组设计了一种细菌，将肌联蛋白的小片段拼接在一起，形成约 2 兆道尔顿大小的超高分子量聚合物，这大约是一般细菌蛋白质大小的 50 倍。然后，他们使用湿纺工艺将蛋白质转化为直径约 10 微米的纤维，相当于人类头发厚度的十分之一。

第一个从肌联蛋白中生产工程宏观材料

研究人员分析了这些纤维的结构，确定了其独特的韧性、强度和阻尼能力的分子机制。
结构分析表明，这些肌联蛋白纤维包含轴向对齐、并排对的 Ig 样域。
研究人员写道：“结构分析和分子建模表明，这些特性源自折叠免疫球蛋白样域的独特链间结晶，这些域可以抵抗链间滑移，同时允许链内展开。”
图 | 微生物生产的超高分子量肌蛋白纤维的力学测试显示，纤维具有高韧性、阻尼能力和机械恢复，可以相比天然肌肉纤维（来源：论文）
研究人员称，这一成就代表了第一个从肌联蛋白中生产的工程宏观材料的例子。
“通过利用微生物的生物合成能力，这项工作已经生产出了一种新型高性能材料，这种材料不仅具有天然肌肉纤维最理想的机械性能 (即高阻尼能力和快速机械恢复)，而且具有高强度和韧性，甚至比许多人造和天然的高性能纤维还要高。” 他们写道。

应用领域广泛

作者指出，生物学一直是材料设计的灵感来源。在大自然中，就有很多通过低消耗、高性能、可生物降解的工艺从可再生原料中生产可生物降解材料的例子，像异常坚韧的昆虫蚕丝、水下黏附贻贝、抗压珍珠鲍鱼、昆虫节肢弹性蛋白。
“在许多情况下，这些天然材料的性能优于现存最佳的石油基产品…… 但是，许多高性能的天然材料不能直接从原生来源获取，因此，利用微生物生产，可以促进这些高性能可再生材料的发展。” 研究人员补充道。
至于该纤维的应用领域，研究人员称，这种材料除了有可能用于制作衣服或防护盔甲外，还可以应用于生物医学领域。
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，因此可能是缝合、组织工程等方面的材料。“这种纤维的机械性能、可持续生产过程和生物降解性的完美结合，使其应用从生物医学到商业纺织品（如反弹道材料、织网、缝合线、和组织工程），” 该团队进一步说道。
“它可以实现低成本、大规模生产，”Fuzhong Zhang 说，“这可能会实现人们之前想到的许多使用天然肌肉纤维的应用。”
Fuzhong Zhang 的研究团队并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。几位研究人员已经根据这项研究申请了专利。
参考资料：
  • https://www.genengnews.com/news/synthetic-microbial-process-produces-muscle-fibers-that-are-stronger-than-kevlar/

  • https://www.nature.com/articles/s41467-021-25360-6
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