High-strength and ultra-tough whole spider silk fibers spun from transgenic silkworms

https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(23)00421-6

하이라이트

• 소재의 인성과 강도를 좌우하는 기본 요소를 풀어냈습니다.
• 누에 실크(Fib-H 12 Fib-L 12 P25 2 ) 의 최소 기본 구조 모델이 제안되었습니다.
• 형질전환 누에를 통해 얻은 최초의 전체 길이 거미 실크 섬유
• 생체 공학 거미 실크는 고강도(1,299 MPa)와 초강력(319 MJ/m 3 ) 을 결합합니다.

진보와 잠재력

초강력과 인성을 갖춘 경량 소재에 대한 수요가 높습니다. 지속 가능한 소재인 거미줄은 이러한 요구 사항을 충족하지만, 방사 메커니즘에 대한 과학적 이해, 공정의 기술적 복잡성, 저비용 대량 생산의 엔지니어링 장애물로 인해 상용화에 어려움을 겪고 있습니다. 여기에서는 나일론과 케블라에서 영감을 얻어 인성과 강도의 본질에 대한 이론을 제안하고 실크 섬유의 기본 구조를 밝힙니다. 이러한 이론을 사용하여 우리는 형질전환 누에를 통해 최초의 “국소화된” 전장 거미줄 섬유를 성공적으로 생산하여 높은 인장 강도(1,299 MPa)와 탁월한 인성(319 MJ/m3)을 보여줍니다 .). 이 획기적인 발전은 과학적, 기술적, 공학적 장애물을 극복하고 합성 섬유의 지속 가능한 대체재로서 거미줄의 상업화를 위한 길을 열었습니다. 또한, 우리의 이론은 슈퍼 소재 개발에 필수적인 지침을 제공합니다.

요약

생태 문명을 발전시키기 위해서는 나일론과 같은 지속 가능하지 않은 합성섬유를 대체할 지속 가능하고 환경친화적인 고강도 초강력 대체재를 개발하는 것이 중요합니다. 이를 위해서는 섬유 강도와 인성의 기본 결정 요인에 대한 깊이 있는 과학적 이해가 필요하며 고성능 실크 섬유의 비용 효율적인 대규모 생산을 위한 엔지니어링 과제를 극복해야 합니다. 나일론과 케블라를 포함한 폴리아미드 섬유의 기계적 특성에서 영감을 받아 CRISPR-Cas9 매개 유전자 편집을 사용하여 형질전환 누에에서 전체 폴리아미드 거미 실크 섬유를 성공적으로 합성했습니다. 이 섬유는 인상적인 인장 강도(1,299MPa)와 인성(319MJ/m3)을 나타냈습니다 .), Kevlar의 인성을 6배 능가합니다. 따라서 이는 합성 상업용 섬유에 대한 지속 가능한 대안으로서 유망한 잠재력을 제공합니다. 또한, 우리의 연구는 섬유 인성과 인장 강도의 기본 본질에 대한 귀중한 통찰력을 제공하여 이러한 특성이 모순된다는 기존 개념에 도전합니다. 이러한 발견은 고강도와 초인성을 동시에 갖는 상업용 합성 섬유의 생산을 안내하는 데 중요한 의미를 갖습니다.

소개

우수한 도구에 대한 현명한 투자는 시간이 지남에 따라 유익한 수익을 가져오며, 이는 생산성을 높이고 인류 문명의 발전을 촉진하는 데 있어 첨단 소재의 중추적인 역할을 강조합니다. 예를 들어, 나일론, 케블라 등 상업용 합성섬유의 발명과 널리 사용은 현대 문명의 발전에 크게 이바지했습니다. 그러나 나일론을 비롯한 이들 합성섬유는 사용량이 늘어나면서 화석에너지 자원의 고갈과 환경오염으로 인해 지속가능한 발전에 위협이 되면서 양날의 검이 됐다. 따라서 생산성을 저하하지 않으면서 생태 문명을 촉진하기 위해 초고강도와 인성을 갖춘 녹색, 환경친화적, 지속 가능한 대안 개발이 시급합니다. 최근 몇 년 동안 고분자 섬유 과학 및 기술 분야에서 상당한 발전이 이루어졌지만, 진정한 고강도 및 초강력 고급 섬유에 관한 탐구는 여전히 진행 중입니다. 불행하게도 현재 이론에서는 엔지니어링 재료의 인장 강도와 인성의 특성이 상호 배타적이라고 제안합니다. 두 가지 특성 사이에서 상업용 합성섬유의 절충이 발생합니다. 예를 들어, 폴리아미드 섬유인 나일론과 Kevlar와 같은 잘 알려진 섬유는 나일론이 더 높은 인성을 갖지만 Kevlar는 우수한 인장 강도를 나타내는 절충안을 나타냅니다. 따라서 섬유 인성과 강도를 결합하는 근본적인 과학적 과제를 해결하는 것은 고강도 및 초인성에 대한 산업 수요 증가를 충족하는 슈퍼 소재 개발에 매우 ​​중요하며 피할 수 없는 일입니다.

결과(원문을 찾아보세요)

https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(23)00421-6#secsectitle0050

섬유 인성과 강도를 결정하는 기본 요소: 나일론과 케블라에서 얻은 통찰

누에 실크의 최소 기본 단위에 대한 구조 모델: Fib-H 12 Fib-L 12 P25 2 (H 12 L 12 P25 2 )

누에에서 CRISPR-Cas9를 매개로 한 전장 거미줄 생산을 통한 INCBED 및 ASM-INCBED 이론 검증

실크 섬유의 응력–변형 거동에 대한 선형 적합 분석을 통한 INCBED 예측 검증

강제 감김을 통한 INCBED 및 ASM-INCBED 예측 검증: 실크 섬유의 인성 및 강도 향상

논의

폴리아미드 섬유인 나일론과 케블라 사이의 기계적 성능 차이에서 영감을 얻어 인성과 강도의 기본 특성에 관한 이론(INCBED 이론 및 ASM-INCBED 이론)을 제안했습니다. 이어서, 생물정보학 분석을 통해 실크의 최소 구조 단위(H 12 L 12 P25 2) 의 최신 모델을 소개했습니다.) 누에 내에서 거미줄의 통합을 촉진하는 것을 목표로 하며, 이는 국소화라고 알려진 과정입니다. CRISPR-Cas9 유전자 편집 기술을 활용하여 Fib-H의 중간 반복 영역을 MiSp로 완전히 대체하여 INCBED 이론과 ASM-INCBED 이론을 입증하는 데 성공했습니다. 또한, 우리는 이러한 이론을 기반으로 예상되는 두 가지 현상을 검증하여 타당성에 대한 강력한 증거를 제공했습니다. 결과적으로, 우리는 거미줄 전체를 회전시킬 수 있는 최초의 유전자 변형 누에를 획득함으로써 중요한 이정표에 도달했습니다. 생성된 실크 섬유는 높은 인장 강도(1,299 MPa)와 탁월한 인성(319 MJ/m3)을 포함한 놀라운 특성을 나타냅니다 .). 이 획기적인 성과는 거미줄의 상업화를 방해했던 과학적, 기술적, 공학적 과제를 효과적으로 해결하고, 거미줄을 나일론과 같은 상업적으로 합성된 섬유에 대한 실행 가능한 대안으로 자리매김하고 생태 문명의 발전에 기여합니다.

INCBED 이론과 ASM-INCBED 이론은 이전의 믿음과는 달리 재료의 인성과 강도가 상호 배타적이라는 개념에 도전합니다. 이러한 이론은 재료 과학자에게 슈퍼 재료 개발에 대한 자신감과 이론적 지침을 제공합니다. 고분자 사슬 사이의 수소 결합과 같은 비공유 결합의 밀도를 최적화하고 “분자간 마찰”을 최대화하고 사슬 길이를 늘려 상대적 슬라이딩 거리(파단 변형)를 더 크게 함으로써 인장 강도가 향상된 섬유와 강인함을 얻을 수 있습니다. 이 접근법은 폴리머 사슬 길이와 백본이 견딜 수 있는 최대 분자간 마찰을 최대화함으로써 이러한 재료의 기계적 잠재력을 완전히 활용합니다. 예를 들어, Kevlar 분자 골격의 공유 결합 강도를 더 강한 공유 결합으로 대체하여 강화하면 기존의 높은 분자 간 마찰을 견딜 수 있습니다. 이 재료의 인성은 나일론( 표 S2 )의 인성보다 최대 4.8배에 달하며 이는 380 MJ/m 3 에 해당합니다 . 이는 Caerostris darwini major ampullate 실크를 포함한 대부분의 천연 및 합성 섬유의 인성을 능가합니다.86( 표 S2 ), 초고강도와 초인성의 결합을 성공적으로 달성했습니다. 또한, 방정식 5 는 주목할 가치가 있습니다. 이는 시스템 상수 α가 증가하면 INCBED와 ASM-INCBED 모두 해당 증가로 이어질 수 있음을 나타냅니다. 이러한 동시 강화는 재료의 강도와 인성을 향상하는 데 이바지합니다. 따라서 본 연구의 이론적 틀에 따라 원자 수준 원자 배열의 조작과 시스템 상수 α에 대한 후속 변경은 재료의 기계적 특성을 효과적으로 강화할 수 있는 유망한 방법을 제공합니다. 따라서 본 연구는 나일론과 같은 상업용 합성섬유를 거미줄로 대체하여 생태적 발전을 촉진할 가능성을 제시할 뿐만 아니라 다양한 구조 영역에 걸쳐 고강도, 초강력 소재 개발을 위한 이론적 지침을 제공합니다. 예를 들어,87이는 인간의 생산성을 크게 향상하고 문명의 발전을 촉진할 수 있는 유망한 전망하고 있습니다.