Les protéines à 128 répétitions ont donné une fibre avec une résistance gigapascale qui est plus résistante que l'acier ordinaire. La ténacité des fibres est supérieure à celle du Kevlar et de toutes les fibres de soie recombinantes précédentes. Sa résistance et sa ténacité sont encore plus élevées que certaines fibres de soie d'araignée naturelles signalées. Crédit :Université de Washington à St. Louis/Jingyao Li
On dit que la soie d'araignée est l'une des plus résistantes, matériaux les plus résistants de la planète. Aujourd'hui, des ingénieurs de l'Université de Washington à St. Louis ont conçu des protéines hybrides de soie amyloïde et les ont produites dans des bactéries modifiées. Les fibres résultantes sont plus solides et plus résistantes que certaines soies d'araignées naturelles.
Leurs recherches ont été publiées dans la revue ACS Nano.
Pour être précis, la soie artificielle - surnommée fibre "amyloïde polymère" - n'a pas été techniquement produite par les chercheurs, mais par des bactéries qui ont été génétiquement modifiées dans le laboratoire de Fuzhong Zhang, professeur au Département de l'énergie, Génie environnemental et chimique à la McKelvey School of Engineering.
Zhang a déjà travaillé avec de la soie d'araignée. En 2018, son laboratoire a conçu des bactéries qui ont produit une soie d'araignée recombinante avec des performances comparables à celles de ses homologues naturels dans toutes les propriétés mécaniques importantes.
"Après nos précédents travaux, Je me demandais si nous pouvions créer quelque chose de mieux que la soie d'araignée en utilisant notre plateforme de biologie synthétique, " dit Zhang.
L'équipe de recherche, qui comprend le premier auteur Jingyao Li, un doctorat étudiant dans le laboratoire de Zhang, modifié la séquence d'acides aminés des protéines de soie d'araignée pour introduire de nouvelles propriétés, tout en gardant certaines des caractéristiques attrayantes de la soie d'araignée.
Un problème associé à la fibre de soie d'araignée recombinante - sans modification significative de la séquence naturelle de la soie d'araignée - est la nécessité de créer des nanocristaux , un composant principal de la soie d'araignée naturelle, ce qui contribue à sa force. "Les araignées ont compris comment filer des fibres avec une quantité souhaitable de nanocristaux, " dit Zhang. " Mais quand les humains utilisent des procédés de filage artificiel, la quantité de nanocristaux dans une fibre de soie synthétique est souvent inférieure à celle de son homologue naturel."
Ce tableau compare la ténacité et la résistance de différentes fibres de soie naturelles et recombinantes. En rouge, la fibre amyloïde polymère développée dans le laboratoire de Fuzhong Zhang. Crédit :Université de Washington à St. Louis/Jingyao Li
Pour résoudre ce problème, l'équipe a repensé la séquence de soie en introduisant des séquences amyloïdes qui ont une forte tendance à former des nanocristaux . Ils ont créé différentes protéines amyloïdes polymères en utilisant trois séquences amyloïdes bien étudiées comme représentants. Les protéines résultantes avaient des séquences d'acides aminés moins répétitives que la soie d'araignée, ce qui les rend plus faciles à produire par des bactéries modifiées. Finalement, les bactéries ont produit une protéine amyloïde polymère hybride avec 128 unités répétitives. L'expression recombinante de la protéine de soie d'araignée avec des unités répétitives similaires s'est avérée difficile.
Plus la protéine est longue, plus la fibre résultante est solide et résistante. Les 128 protéines répétées ont donné une fibre avec une force gigapascale (une mesure de la force nécessaire pour casser une fibre de diamètre fixe), qui est plus fort que l'acier commun. La ténacité des fibres (une mesure de la quantité d'énergie nécessaire pour casser une fibre) est supérieure à celle du Kevlar et de toutes les fibres de soie recombinantes précédentes. Sa résistance et sa ténacité sont encore plus élevées que certaines fibres de soie d'araignée naturelles signalées.
En collaboration avec Young-Shin Jun, professeur au Département d'énergie, Génie environnemental et chimique, et son doctorat étudiant Yaguang Zhu, l'équipe a confirmé que les propriétés mécaniques élevées des fibres amyloïdes polymères proviennent en effet de la quantité accrue de nanocristaux .
Ces nouvelles protéines et les fibres qui en résultent ne sont pas la fin de l'histoire des fibres synthétiques hautes performances du laboratoire de Zhang. Ils ne font que commencer. « Cela démontre que nous pouvons concevoir la biologie pour produire des matériaux qui surpassent les meilleurs matériaux de la nature, " dit Zhang.
