弹性蛋白质

昆虫超级橡胶的合成版本涌现

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操场老手们赞赏超级球的奇妙之处,这种硬塑料球在掉落时几乎完全反弹,然后似乎会不停地弹跳。科学家最近合成了自然界的超级球版本。这种被称为弹性蛋白的超高能效弹性蛋白质使跳蚤能够跳跃,苍蝇能够拍打翅膀,蝉能够歌唱。人工版本可能会在生物医学或工业应用中找到用途——可能作为新的支架、心脏瓣膜、椎间盘植入物、纳米铰链,甚至跑鞋鞋底。

弹性蛋白在40年前首次被发现,长期以来一直是仿生工程师的目标——他们致力于模仿或复制生物系统。一种取得了实际成功的类似生物材料是弹性蛋白,这是一种蛋白质,可使血管等组织在弯曲后恢复其形状。

英格兰巴斯大学的仿生学教授朱利安·文森特解释说,弹性蛋白和弹性蛋白具有共同的结构排列,这解释了它们的橡胶特性——每个都包含随机盘绕的氨基酸链,这些链以分子交联的方式间隔连接。当弹性蛋白被水膨胀时,其线圈可以自由旋转,这使得蛋白质在伸长时展开。两种物质都可以在不破裂的情况下大幅拉伸——弹性蛋白拉伸100%,弹性蛋白至少拉伸300%。


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在科学家于2001年确定了果蝇基因组中编码弹性蛋白的基因后不久,澳大利亚布里斯班附近的CSIRO畜牧业的克里斯托弗·M·埃尔文就开始计划自己制造它。正如他和他的团队在2005年10月13日的《自然》杂志中报道的那样,他们首先将弹性蛋白基因的功能部分转移到大肠杆菌中。然后,研究人员培养了表达果蝇基因并以称为前弹性蛋白的流体溶液形式产生粗蛋白的微生物工厂。

将前弹性蛋白转化为橡胶固体需要在螺旋肽链之间形成分子交联。在尝试了几种技术之后,埃尔文和他的同事们最终成功地在金属催化剂和氧化剂存在下,将前弹性蛋白短暂暴露在光线下。这一措施引发了光化学反应,从而产生了所需的交联。

埃尔文说,固态重组弹性蛋白的特性与天然版本相匹配。该小组现在正在努力更好地了解该材料的基本功能,以便它可以合成新的聚合物,这些聚合物将负责弹性的蛋白质序列作为构建块。

然而,在实际应用出现之前,还需要解决几个问题。天然弹性蛋白具有极佳的弹性,但它不是很硬。自然界通过将其与坚韧的几丁质编织在一起解决了这一缺点;可能需要采取类似的方法来增强人造版本。此外,由于该蛋白质是可生物降解的,因此如果要在潮湿环境(例如体内)中使用,则很可能需要进行修改。最后,需要水的替代品来在干燥条件下保持弹性蛋白的弹性。“尽管潜力似乎巨大,但现在我们必须使其发挥作用,”埃尔文强调。“而这可能需要10年的时间。”如果这种情况发生,那么下一个大型游乐场潮流可能就是“超级球”了。

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