Major structural protein in locust mandible capable of forming extraordinarily stiff materials via hierarchical self-assembly

蝗虫 下颌骨(节肢动物口器) 材料科学 纳米技术 生物 植物
作者
Huitang Qi,Yingda Teng,Sizhe Chen,Fenghou Yuan,Lei Chen,Xiangyu Liang,Qing Yang,Tian Liu
出处
期刊:Matter [Elsevier]
卷期号:7 (3): 1314-1329
标识
DOI:10.1016/j.matt.2024.01.020
摘要

Summary

Locust mandibles have stiff cuticles to process rough food. Therefore, the mandible is a reservoir of stiff structural proteins (SPs). Here, LmCPH-1, the most abundant SP in locust mandibles, is reported to be an indispensable stiff SP in mandibles. In vivo, suppression of LmCPH-1 expression seriously weakens the mechanical properties of the mandible. In vitro, LmCPH-1 undergoes hierarchical self-assembly to form a film with an ultrahigh modulus (12 GPa), which outperforms most protein-based materials. The stiffness of LmCPH-1 film can be attributed to its high β-sheet/β-crystal content formed through self-assembly. Molecular dynamics simulations indicate that the C-terminal region of LmCPH-1 plays a vital role in its self-assembly process. We conclude that LmCPH-1 strengthens the locust mandible by forming a stiff cement to fill the chitin scaffold. The findings not only represent a universal reinforcing mechanism of insect cuticle but also provide a potent starting material for sustainable materials.
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