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Synthetisches mikrobielles Verfahren produziert Muskelfasern, die stärker sind als Kevlar

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Würden Sie Kleidung oder, sagen wir, Schnürsenkel oder einen Gürtel aus Muskelfasern tragen? Was wäre, wenn diese Fasern mehr Energie aushalten könnten, bevor sie reißen, als Baumwolle, Seide, Nylon oder sogar Kevlar, und das, ohne dass Tiere zu Schaden kämen?

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Forscher der McKelvey School of Engineering an der Washington University in St. Louis haben nun eine Technologie der synthetischen Chemie entwickelt, mit der dies möglich sein könnte. Die Methode ermöglicht es ihnen, Proteine in künstlich hergestellten Mikroben zu polymerisieren. Mithilfe dieser Technologie gelang es dem Team, das Muskelprotein Titin mit hohem Molekulargewicht mikrobiell zu produzieren, das dann zu Fasern gesponnen wurde. Tests zeigten, dass die Fasern viele synthetische und natürliche Polymere übertrafen.

"Das Schöne an diesem System ist, dass es sich um eine Plattform handelt, die überall eingesetzt werden kann", so Cameron Sargent, Doktorand in der Abteilung für biologische und biomedizinische Wissenschaften. "Wir können Proteine aus verschiedenen natürlichen Zusammenhängen nehmen, sie dann in diese Plattform für die Polymerisation einsetzen und größere, längere Proteine für verschiedene Materialanwendungen mit größerer Nachhaltigkeit herstellen." Sargent und Christopher Bowen, PhD, der in der Abteilung für Energie-, Umwelt- und Chemietechnik tätig war und jetzt leitender Wissenschaftler bei Pfizer ist, sind die Erstautoren der Veröffentlichung des Teams in Nature Communications mit dem Titel "Microbial production of megadalton titin yields fibers with advantageous mechanical properties", in der sie zu dem Schluss kommen: "Diese Fasern haben potenzielle Anwendungen in Bereichen von der Biomedizin bis hin zu Textilien, und der entwickelte Ansatz, gekoppelt mit den Erkenntnissen über Struktur und Funktion, verspricht, weitere Innovationen in der mikrobiellen Produktion von Hochleistungsmaterialien zu beschleunigen."

Die Biologie ist eine großartige Inspirationsquelle für das Materialdesign, denn die Natur kann viele hochleistungsfähige, biologisch abbaubare Materialien effizient, aus erneuerbaren Ressourcen und mit nur geringem Energieaufwand herstellen, so die Autoren. Außergewöhnlich widerstandsfähige Insektenseide und der von Muscheln produzierte Unterwasserkleber Byssus sind nur einige Beispiele dafür. Und in vielen Fällen, so die Forscher, "... können diese natürlichen Materialien die besten verfügbaren Alternativen auf Erdölbasis übertreffen"

Es ist nicht immer möglich, solche Materialien aus ihren natürlichen Quellen zu gewinnen, und Wissenschaftler können nicht immer synthetische Methoden entwickeln, die die natürlichen biosynthetischen Prozesse in großem Maßstab nachahmen. "Um die praktische Nutzung und Entwicklung dieser leistungsstarken, erneuerbaren Materialien zu erleichtern, sind mikrobielle Produktionsstrategien erforderlich", so das Team weiter.

Das synthetische Muskelprotein, das im Labor von Fuzhong Zhang, PhD, Professor in der Abteilung für Energie-, Umwelt- und Chemieingenieurwesen, hergestellt wurde, ist das synthetische Muskelprotein Titin, eine der drei wichtigsten Proteinkomponenten des Muskelgewebes. Entscheidend für die mechanischen Eigenschaften von Titin ist seine große Molekülgröße. "Es ist das größte bekannte Protein in der Natur", so Sargent. Muskelfasern sind schon seit langem von Interesse, so Zhang. Forscher haben versucht, Materialien mit ähnlichen Eigenschaften wie Muskeln für verschiedene Anwendungen zu entwickeln, z. B. in der Soft-Robotik. "Wir haben uns gefragt, warum wir nicht direkt synthetische Muskeln herstellen", sagte er. "Aber wir werden sie nicht von Tieren ernten, sondern wir werden Mikroben dafür verwenden

Die direkte mikrobielle Produktion von Polymeren mit hoher mechanischer Leistung ist jedoch begrenzt, da viele natürliche Hochleistungsmaterialien auf Proteinen mit ultrahohem Molekulargewicht (UHMW) und sich stark wiederholenden Aminosäuresequenzen basieren. Diese repetitiven UHMW-Proteine sind, so die Wissenschaftler, "aufgrund der genetischen Instabilität, der geringen Übersetzungseffizienz und der metabolischen Belastung extrem schwierig in Mikroben zu produzieren"

Um einige der Probleme zu umgehen, die Bakterien normalerweise daran hindern, große Proteine zu produzieren, hat das Forscherteam Bakterien so manipuliert, dass sie kleinere Segmente des Titin-Proteins zu UHMW-Polymeren mit einer Größe von etwa zwei Megadalton zusammensetzen, was etwa 50 Mal so groß ist wie ein durchschnittliches bakterielles Protein. Anschließend wandelten sie die Proteine in einem Nassspinnverfahren in Fasern mit einem Durchmesser von etwa zehn Mikrometern um, das entspricht einem Zehntel der Dicke eines menschlichen Haares.

In Zusammenarbeit mit Young Shin Jun, PhD, Professor im Fachbereich Energie-, Umwelt- und Chemieingenieurwesen, und Sinan Keten, PhD, Professor im Fachbereich Maschinenbau an der Northwestern University, analysierte die Gruppe dann die Struktur dieser Fasern, um die molekularen Mechanismen zu ermitteln, die ihre einzigartige Kombination aus außergewöhnlicher Zähigkeit, Festigkeit und Dämpfungsfähigkeit, d. h. die Fähigkeit, mechanische Energie in Form von Wärme abzuleiten, ermöglichen. Strukturanalysen ergaben, dass diese UHMW-Titinfasern axial ausgerichtete, nebeneinander liegende Paare von Ig-ähnlichen Domänen enthalten. "Strukturanalysen und molekulare Modellierung deuten darauf hin, dass diese Eigenschaften von der einzigartigen Kristallisation gefalteter Immunglobulin-ähnlicher Domänen zwischen den Ketten herrühren, die ein Abrutschen zwischen den Ketten verhindert und gleichzeitig eine Entfaltung innerhalb der Ketten ermöglicht", schreiben die Forscher.

Nach ihrem Kenntnisstand ist dies das erste Beispiel für ein technisch hergestelltes makroskaliges Material, das aus Titin produziert wurde. "Durch die Nutzung der Biosynthesekraft von Mikroben hat diese Arbeit ein neuartiges Hochleistungsmaterial hervorgebracht, das nicht nur die wünschenswertesten mechanischen Eigenschaften natürlicher Muskelfasern (d. h. hohe Dämpfungskapazität und schnelle mechanische Erholung), sondern auch eine hohe Festigkeit und Zähigkeit aufweist, die sogar die vieler künstlicher und natürlicher Hochleistungsfasern übertrifft", schreiben sie.

"... Modellierungsergebnisse deuten darauf hin, dass die hervorragenden mechanischen Eigenschaften der mikrobiell hergestellten UHMW-Titin-Fasern auf eine einzigartige Paarung von gefalteten Ig-ähnlichen Domänen zwischen den Fibrillen zurückzuführen sein könnten. Eine solche nicht-kovalente Vernetzung zwischen den Ketten durch gefaltete, dehnbare Domänen wurde bisher nur selten erforscht, weder bei organischen Polymeren noch bei anderen mikrobiell hergestellten Fasern."

Sargent wies darauf hin, dass das Material nicht nur für schicke Kleidung oder Schutzpanzer verwendet werden könnte, sondern auch für biomedizinische Anwendungen. Da es mit den Proteinen im Muskelgewebe nahezu identisch ist, ist dieses synthetische Material vermutlich biokompatibel und könnte daher ein hervorragendes Material für Nahtmaterial, Gewebezüchtung usw. sein. "Die äußerst wünschenswerte Kombination aus mechanischen Eigenschaften, nachhaltigem Produktionsprozess und biologischer Abbaubarkeit macht die Faser zu einem ausgezeichneten Kandidaten für umweltfreundliche Anwendungen in einer Reihe von Bereichen von der Biomedizin bis hin zu kommerziellen Textilien (z. B. antiballistische Materialien, Netze, Nahtmaterial und Gewebezüchtung)", so das Team weiter.

"Seine Herstellung kann billig und skalierbar sein", fügte Zhang hinzu. "Sie könnte viele Anwendungen ermöglichen, an die man bisher nur mit natürlichen Muskelfasern gedacht hat." Zhangs Forschungsteam hat nicht die Absicht, bei synthetischen Muskelfasern stehen zu bleiben. Die Zukunft wird wahrscheinlich weitere einzigartige Materialien bringen, die durch ihre mikrobielle Synthesestrategie ermöglicht werden. Bowen, Cameron und Zhang haben auf der Grundlage ihrer Forschung ein Patent angemeldet.

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