거미줄은 강도와 ​​유연성, 가벼운 무게로 유명하며, 같은 직경의 강철과 비슷한 인장강도를 가지고 있습니다. 또한 생체 적합성(의료 응용 분야에 사용할 수 있음)과 생분해성도 갖추고 있습니다. 그러나 거미줄을 대규모로 수확하는 것은 여러 가지 이유로 비현실적인 것으로 입증되었습니다. 따라서 과학자들은 실험실에서 이를 생산할 수 있는 메커니즘을 개발하기 위해 노력하고 있습니다.

이제 일본 RIKEN 지속 가능한 자원 과학 센터의 연구원들은 천연 거미줄과 거의 일치하는 합성 거미줄을 회전시키는 장치를 만들었습니다. 인공 실크 샘은 거미 실크 샘에서 자연적으로 발생하는 다양한 화학적, 물리적 변화를 모방하여 실크의 복잡한 분자 구조를 재현할 수 있었습니다.

이 작품은 에 출판되었습니다. 네이처커뮤니케이션즈 종이에는 “미세 유체를 통한 거미줄의 반복 전단 매개 자기 조립.“

거미줄은 매우 반복적인 서열을 가진 큰 단백질인 스피드로인으로 만들어진 생체고분자 섬유입니다. 실크 섬유 안에는 베타 시트가 있는데, 실크 섬유가 고유한 기계적 특성을 가지려면 베타 시트가 적절하게 정렬되어야 합니다. 이 과정을 재현하기 위해 RIKEN 과학자들은 생체모방 접근법을 따랐습니다. “이 연구에서 우리는 좁은 채널을 통해 소량의 유체를 흐르게 하고 조작하는 미세 유체를 사용하여 천연 거미줄의 생산을 모방하려고 시도했습니다.”라고 생체 재료 화학 실험실 교수이자 의장인 누마타 케이지(Keji Numata) 박사는 설명했습니다. 고분자재료화학. , 교토대학. “사실 거미의 명주샘은 일종의 천연 미세유체 장치로 기능한다고 말할 수 있습니다.”

이를 위해 재조합 MaSp2 Spidroin을 기반으로 하는 선구적인 Spidroin 솔루션을 채널이 포함된 작은 직사각형 상자의 한쪽 끝에 놓은 다음 음압에 의해 다른 쪽 끝으로 끌어당겼습니다. 스피드로인이 미세유체 채널을 통해 흐를 때 화학적, 물리적 환경의 미묘한 변화에 노출됩니다. 적절한 조건에서 단백질은 자가 조립되어 특유의 복잡한 구조를 지닌 실크 섬유를 형성합니다.

보다 구체적으로, 이 전략은 “이온 유도 액체-액체 상 분리, pH 유도 세동 및 전단 의존 교반을 통합하여 베타 시트를 형성합니다.”

무엇보다도 연구자들은 단백질을 밀어내기 위해 힘을 사용하는 것이 효과가 없다는 사실을 발견했습니다. 스피드로인 용액을 빼내기 위해 음압을 사용할 때만 연속적인 실크 섬유가 베타 시트의 올바른 정렬로 조립될 수 있었습니다.

RIKEN의 연구 과학자인 Ali Malay는 “다양한 조건이 설정되고 최적화되면 미세유체 시스템이 얼마나 강력한지 놀랐습니다.”라고 말했습니다. “섬유 조립은 자연스럽고 매우 빠르며 재현성이 뛰어납니다. 가장 중요한 것은 섬유가 천연 실크 섬유에서 발견되는 특징적인 계층 구조를 나타냈다는 것입니다.”

저자는 “섬유 형성에는 약 72Pa의 전단 응력 임계값이 필요하며 베타 시트의 형성은 반복 순서에서 폴리알라닌 블록의 존재에 따라 달라집니다. 형성된 MaSp2 섬유는 베타 시트 함량(29.2%)을 갖습니다. ) 이는 전단 응력 요구 사항이 111 Pa인 원래 도면 선의 것과 유사합니다.”

이 방법을 사용하여 실크 섬유를 합성적으로 생산할 수 있는 능력은 현재 섬유 산업이 환경에 미치는 부정적인 영향을 줄이는 데 도움이 될 뿐만 아니라 거미줄의 생분해성 및 생체 적합성 특성으로 인해 합성 봉합사 및 인대와 같은 생의학 응용 분야에 이상적입니다. .

“이상적으로 우리는 현실 세계에 영향을 미치고 싶습니다.”라고 Numata는 말했습니다. “이를 위해서는 섬유 생산 방법을 확장하고 이를 지속적인 프로세스로 만들어야 합니다. 또한 여러 측정 기준을 사용하여 합성 거미줄의 품질을 평가하고 거기에서 추가 개선을 이뤄낼 것입니다.”