С момента разработки рекомбинантного паучьего шелка в 2018 году с использованием бактерий Чжан работает над увеличением выхода шелковых нитей, полученных из микробов, сохраняя при этом их желаемые свойства повышенной прочности и ударопрочности.

Более высокие выходы будут иметь решающее значение, если синтетический шелк будет использоваться в повседневной жизни, особенно в индустрии моды, где возобновляемые материалы пользуются большим спросом для снижения воздействия на окружающую среду, которое возникает в результате производства примерно 100 миллиардов предметов одежды и 92 миллионов тонн отходов в год.

С помощью модифицированного белка лапки мидии Чжан создал новые слитые белки паучьего шелка, называемые двухконцовыми Mfp-слитыми шелками (btMSilks). Микробиологическое производство btMSilks дает в восемь раз более высокие выходы, чем рекомбинантные белки шелка, а волокна btMSilk обладают существенно улучшенной прочностью и ударопрочностью, будучи при этом легкими. Это могло бы произвести революцию в производстве одежды, предоставив более экологичную альтернативу традиционному текстилю. Результаты были опубликованы 14 апреля в журнале Природные коммуникации.

"Выдающиеся механические свойства натурального паучьего шелка обусловлены его очень большой и повторяющейся последовательностью белков", - сказал Чжан. "Однако чрезвычайно сложно заставить быстрорастущие бактерии вырабатывать много повторяющихся белков.

"Чтобы решить эту проблему, нам нужна была другая стратегия", - сказал он. "Мы искали неупорядоченные белки, которые могут быть генетически соединены с фрагментами шелка, чтобы способствовать молекулярному взаимодействию, так что можно получать прочные волокна без использования больших повторяющихся белков. И мы действительно нашли их прямо здесь, в работе, которую мы уже проводили над белками ножек мидий".

Мидии выделяют эти специализированные белки на своих ножках, чтобы прилипать к предметам. Чжан и его сотрудники сконструировали бактерии, чтобы производить их и использовать в качестве адгезивов для биомедицинских применений. Как оказалось, белки ножек мидий также обладают когезионной способностью, что позволяет им хорошо прилипать друг к другу. Поместив фрагменты белка лапки мидии на концы своих последовательностей белка синтетического шелка, Чжан создал менее повторяющийся, легкий материал, который по крайней мере в два раза прочнее рекомбинантного паучьего шелка.

Выход материала Чжана увеличился в восемь раз по сравнению с предыдущими исследованиями, достигнув 8 граммов волокнистого материала из 1 литра бактериальной культуры. На выходе получается достаточно ткани, чтобы протестировать ее для использования в реальных изделиях.

"Прелесть синтетической биологии в том, что у нас есть много возможностей для исследования", - сказал Чжан. "Мы можем вырезать и вставлять последовательности из различных природных белков и тестировать эти конструкции в лаборатории на предмет новых свойств и функций. Это делает синтетические биологические материалы гораздо более универсальными, чем традиционные материалы на нефтяной основе".

В предстоящей работе Чжан и его команда расширят настраиваемые свойства своих синтетических шелковых волокон, чтобы точно соответствовать потребностям каждого специализированного рынка.

"Поскольку наш синтетический шелк производится из дешевого сырья с использованием модифицированных бактерий, он представляет собой возобновляемую и биоразлагаемую замену волокнистым материалам нефтяного происхождения, таким как нейлон и полиэстер", - сказал Чжан.