Eine neue synthetische Faser aus Muskel wurde gerade entwickelt, die härter als Kevlar zu sein scheint. Erstellt von Forschern des McKelvey School of Engineeringan der Washington University in St. Louis werden die Muskelfasern von speziell entwickelten Mikroben erzeugt und nicht aus lebenden Gewebequellen.
Ihre Forschungsergebnisse wurden erstmals am 30. August im Journal veröffentlichtNaturkommunikation.
Diese neuen Fasern könnte in einem sehr starken Gewebe gewebt werden, das für viele Anwendungen von Schnürsenkeln über Gürtel bis hin zu ganzen Kleidungsstücken verwendet werden könnte. Solche Fasern sollten laut den Forschern hinter der Entwicklung in der Lage sein, rauer und staubiger zu sein, bevor sie versagentraditionellere Materialien wie Baumwolle, Seide, Nylon oder sogar Kevlar.
Nicht nur das, wenn die Faserproduktion einmal skaliert wurde, sollte sie relativ günstig sein.
"Seine Produktion kann billig und skalierbar sein. Es kann viele Anwendungen ermöglichen, über die die Leute zuvor nachgedacht hatten, aber mit natürlichen Muskelfasern", sagte Fuzhong Zhang, Professor am Department of Energy, Environmental & Chemical Engineering.
Die Fasern werden mit speziell entwickelten Bakterien hergestellt
Die Fasern werden aus einer Substanz namens Titin hergestellt, die einer der drei Hauptproteinkomponenten im Muskel ist. Titin ist ein relativ großes Molekül, das der Schlüssel zu seinen mechanischen Eigenschaften ist.
Tatsächlich ist es, soweit wir wissen, die größtes bekanntes Protein in der Natur.
Wege zu finden, Proteinfasern wie Titan zu synthetisieren, ist seit Jahren Gegenstand von großem Interesse. Forschungsteams haben beispielsweise die Entwicklung von muskelähnlichen Materialien untersucht, um Dinge wie weiche Roboter zu bauen.
„Wir haben uns gefragt: ‚Warum stellen wir nicht einfach synthetische Muskeln her?'“, sagte Zhang. „Aber wir werden sie nicht von Tieren ernten – wir werden dafür Mikroben verwenden.“
Dieser Ansatz hat sich jedoch in der Vergangenheit als sehr schwierig erwiesen, da Mikroben, insbesondere Bakterien, dazu neigen, nicht wirklich dazu gebracht zu werden, so große Proteinstrukturen zu bilden. Um dies zu umgehen, haben Zhang und sein Team speziell Bakterien entwickelt, um kleine Segmente vondas Protein in Ultrahochmolekulare Polymere mit einer Größe von etwa zwei Megadalton – etwa 50-mal so groß wie ein durchschnittliches bakterielles Protein.
Nach der Bakterienproduktion wurden die Proteine dann nassgesponnen, um sie in Fasern mit einem Durchmesser von etwa 10 Mikrometern oder einem Zehntel der Dicke von menschlichem Haar umzuwandeln.
Nach der Erstellung arbeitete das Team mit anderen Forschern zusammen, um die Festigkeit und Haltbarkeit der neuen Fasern zu testen. Die Ergebnisse waren in der Tat sehr überraschend.
Arbeiten mit Young-Shin Jun, Professor am Department of Energy, Environmental & Chemical Engineering, und Sinan Keten, Professor am Department of Mechanical Engineering an der Northwestern University, die neuen Fasern erwiesen sich unter bestimmten Umständen als potenziell stärker als Kevlar.
Sie waren so stark, dass das Team schnell erkannte, dass sie leicht zur Herstellung von Spezialkleidung oder sogar Schutzpanzern verwendet werden können. Nicht nur das, sie könnten auch potenzielle Anwendungen in der Biomedizin haben.
Da die Fasern beispielsweise aus einem in der Natur üblichen Protein hergestellt werden, ist es nicht undenkbar, dass die Fasern zum Nähen von Wunden, Tissue Engineering oder anderen Anwendungen verwendet werden könnten. Schließlich sollten sie in den meisten Fällen biokompatibel sein.
Das Forschungsteam plant nicht, hier aufzuhören. Es ist zu hoffen, dass die Zukunft wahrscheinlich mehr einzigartige Materialien bereithält, die durch ihre mikrobielle Synthesestrategie ermöglicht werden. Sie sind von ihren Ergebnissen so überzeugt, dass das Team kürzlich ein Patent auf der Grundlage von . angemeldet hatihre Forschung.
„Das Schöne an dem System ist, dass es wirklich eine Plattform ist, die überall angewendet werden kann“, sagt Cameron Sargent, Doktorand in der Abteilung für biologische und biomedizinische Wissenschaften und Erstautor der Arbeit zusammen mit Christopher Bowen, einem kürzlichen Doktoranden des Department of Energy, Environmental & Chemical Engineering.“
Wir können Proteine aus verschiedenen natürlichen Kontexten nehmen, sie dann in diese Plattform zur Polymerisation bringen und größere, längere Proteine für verschiedene Materialanwendungen mit größerer Nachhaltigkeit herstellen“, fügte er hinzu.