彈性蛋白質

昆蟲超級橡膠的合成版本湧現

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操場老手們讚賞超級球的奇妙之處,這種硬塑膠球在掉落時幾乎完全反彈,然後似乎會不停地彈跳。科學家最近合成了自然界的超級球版本。這種被稱為彈性蛋白的超高能效彈性蛋白質使跳蚤能夠跳躍,蒼蠅能夠拍打翅膀,蟬能夠歌唱。人工版本可能會在生物醫學或工業應用中找到用途——可能作為新的支架、心臟瓣膜、椎間盤植入物、奈米鉸鏈,甚至跑鞋鞋底。

彈性蛋白在40年前首次被發現,長期以來一直是仿生工程師的目標——他們致力於模仿或複製生物系統。一種取得了實際成功的類似生物材料是彈性蛋白,這是一種蛋白質,可使血管等組織在彎曲後恢復其形狀。

英格蘭巴斯大學的仿生學教授朱利安·文森特解釋說,彈性蛋白和彈性蛋白具有共同的結構排列,這解釋了它們的橡膠特性——每個都包含隨機盤繞的氨基酸鏈,這些鏈以分子交聯的方式間隔連線。當彈性蛋白被水膨脹時,其線圈可以自由旋轉,這使得蛋白質在伸長時展開。兩種物質都可以在不破裂的情況下大幅拉伸——彈性蛋白拉伸100%,彈性蛋白至少拉伸300%。


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在科學家於2001年確定了果蠅基因組中編碼彈性蛋白的基因後不久,澳大利亞布里斯班附近的CSIRO畜牧業的克里斯托弗·M·埃爾文就開始計劃自己製造它。正如他和他的團隊在2005年10月13日的《自然》雜誌中報道的那樣,他們首先將彈性蛋白基因的功能部分轉移到大腸桿菌中。然後,研究人員培養了表達果蠅基因並以稱為前彈性蛋白的流體溶液形式產生粗蛋白的微生物工廠。

將前彈性蛋白轉化為橡膠固體需要在螺旋肽鏈之間形成分子交聯。在嘗試了幾種技術之後,埃爾文和他的同事們最終成功地在金屬催化劑和氧化劑存在下,將前彈性蛋白短暫暴露在光線下。這一措施引發了光化學反應,從而產生了所需的交聯。

埃爾文說,固態重組彈性蛋白的特性與天然版本相匹配。該小組現在正在努力更好地瞭解該材料的基本功能,以便它可以合成新的聚合物,這些聚合物將負責彈性的蛋白質序列作為構建塊。

然而,在實際應用出現之前,還需要解決幾個問題。天然彈性蛋白具有極佳的彈性,但它不是很硬。自然界透過將其與堅韌的幾丁質編織在一起解決了這一缺點;可能需要採取類似的方法來增強人造版本。此外,由於該蛋白質是可生物降解的,因此如果要在潮溼環境(例如體內)中使用,則很可能需要進行修改。最後,需要水的替代品來在乾燥條件下保持彈性蛋白的彈性。“儘管潛力似乎巨大,但現在我們必須使其發揮作用,”埃爾文強調。“而這可能需要10年的時間。”如果這種情況發生,那麼下一個大型遊樂場潮流可能就是“超級球”了。

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