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Engineered Spider Silk Proteins for Biomimetic Spinning of Fibers with Toughness Equal to Dragline Silks

丝绸 材料科学 蜘蛛丝 纺纱 韧性 高分子科学 蜘蛛 复合材料 纳米技术 生物 生态学
作者
Tina Arndt,Gabriele Greco,Benjamin Schmuck,Jessica Bunz,Olga Shilkova,Juanita Francis,Nicola M. Pugno,Kristaps Jaudzems,Andreas Barth,Jan Johansson,Anna Rising
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:32 (23) 被引量:67
标识
DOI:10.1002/adfm.202200986
摘要

Abstract Spider silk is the toughest fiber found in nature, and bulk production of artificial spider silk that matches its mechanical properties remains elusive. Development of miniature spider silk proteins (mini‐spidroins) has made large‐scale fiber production economically feasible, but the fibers’ mechanical properties are inferior to native silk. The spider silk fiber's tensile strength is conferred by poly‐alanine stretches that are zipped together by tight side chain packing in β‐sheet crystals. Spidroins are secreted so they must be void of long stretches of hydrophobic residues, since such segments get inserted into the endoplasmic reticulum membrane. At the same time, hydrophobic residues have high β‐strand propensity and can mediate tight inter‐β‐sheet interactions, features that are attractive for generation of strong artificial silks. Protein production in prokaryotes can circumvent biological laws that spiders, being eukaryotic organisms, must obey, and the authors thus design mini‐spidroins that are predicted to more avidly form stronger β‐sheets than the wildtype protein. Biomimetic spinning of the engineered mini‐spidroins indeed results in fibers with increased tensile strength and two fiber types display toughness equal to native dragline silks. Bioreactor expression and purification result in a protein yield of ≈9 g L −1 which is in line with requirements for economically feasible bulk scale production.

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