Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.
Method Article
Несмотря на выдающиеся механические и биохимические свойства шелка пауков, эти материалы не могут быть собраны в большом количестве с помощью обычных средств. Здесь мы опишем эффективную стратегию вращаться искусственного шелка паука волокна, которое является важным процессом для изучения следователями паук производство шелка и их использование в качестве следующего поколения биоматериалов.
Как общество прогрессирует и ресурсов становится все меньше, она становится все более важным развивать новые технологии, инженер следующего поколения биоматериалов с высокими эксплуатационными свойствами. Развитие этих новых конструкционных материалов должно быть быстрым, экономичным и включают обработку методик и продуктов, которые являются экологически чистыми и устойчивыми. Пауки крутиться множество различных типов волокон с различными механическими свойствами, предлагая богатый источник следующего поколения конструкционных материалов для биомимикрия что соперник лучших искусственных и натуральных материалов. Так как набор большого количества натурального шелка пауков нецелесообразно, производство синтетического шелка имеет возможность предоставить ученым доступ к неограниченным запасом темы. Поэтому, если вращающийся процесс может быть упрощен и усовершенствован, искусственных волокон паука есть возможность использования для широкого спектра применений, начиная от бронежилета, хирургические шовныес, канаты и тросы, шины, струны для музыкальных инструментов, а также композиционных материалов для авиационной и космической техники. В целях ускорения процесса производства синтетического шелка и для получения волокна, которые отображают низкой дисперсией по своим свойствам материал из спин спина, мы разработали мокрого прядения протокол, который объединяет экспрессия рекомбинантных белков шелка пауков в бактерии, очистки и концентрации белков , а затем методом экструзии волокна и механического после лечения спина. Это первое визуальное представление, что показывает, шаг за шагом процесс спина и анализ искусственных волокон шелка в лабораторном масштабе. Он также содержит подробную информацию, чтобы свести к минимуму введением вариабельность волокна нити из одного вращающегося допинг. В совокупности эти методы будут стимулировать процесс искусственного шелка, что приводит к более высоким качеством волокна, которые превосходят натуральный шелк паука.
Паук шелк обладает экстраординарными механические свойства, что из выполняет несколько искусственных материалов, в том числе из высокопрочной стали, кевлара и нейлона. 1 Пауки крутиться как минимум 6-7 различных типов волокон, которые отображают разнообразные механические свойства, каждый из которых предназначен с разным количеством прочность и растяжимость для выполнения определенных биологических задач. 2 исследования ученые быстро стремится к использованию шелка паука в качестве следующего поколения биоматериалов, потому что их выдающиеся механические свойства, их биосовместимости, и их нетоксичными и зелено-материальной природы. 3,4 Из-за людоедских и ядовитых паукообразных природы, сбор пауков шелка через сельское хозяйство не является практической стратегии для удовлетворения потребностей необходимых для промышленного производства масштабе. Таким образом, ученые обратились к производству рекомбинантных белков шелка в трансгенных организмов в сочетании с в пробирке прядение синтетических волокон изсебе очищенного белка. 5-8 Выражение полнометражный рекомбинантных белков паутины было технически сложно, учитывая внутренние свойства их последовательностей генов, в том числе их очень повторяющийся характер и физическую длину (> 15 кб), GC-богатым содержанием и предвзятым аланин и глицин кодонов. 9-11 На сегодняшний день большинство лабораторий были направлены на выражение усеченной формы основных ampullate протеины шелка MaSp1 или частичном использовании MaSp2 кДНК или синтетических генов. 12-15 прядильно синтетического шелка пауков является сложным процессом, требующим мастерство и знания в различных научных дисциплин, и в тонкостях процесса прядения, не были полностью открыты широкой общественности с помощью видео-представление. На самом деле, лишь немногие из лабораторий по всему миру есть опыт, чтобы выразить кДНК шелка паука, очистить протеины шелка, спина синтетических волокон и выполнять после спин-дро, и, наконец, проверить свои свойства биоматериалов. 8,16,17 различные подходы для прядения синтетических волокон охватили влажные и сухие прядильных а также методы электропрядения 16,18,19 Все процедуры имеют одну цель общего -. Разработке протокола, который производит синтетический шелк пауков с механическими свойствами, которые могут соперничать нити из натуральных для крупных коммерческих производственных процессов.
Здесь мы опишем процедуру создания искусственного шелк паука в лабораторном масштабе с использованием мокрого прядения методологии. По сравнению с другими методами прядильных, мокрого прядения произвел наиболее последовательные результаты для волоконно-анализа. Опишем эту процедуру, начиная с выражением рекомбинантных белков шелка в бактерии, а затем их очистки, а затем описать белкового препарата шаги для прядения, в том числе после ничьей спина методологии применительно к "как нити" волокна, что дает нити свойства материалов, которые подходят к качеству природных шелк паука. Наши методичесу предназначен для точного моделирования естественного процесса прядения шелка и волокон в значительной степени опирается на наш опыт в архитектуре и функциях шелковых желез с шаром и початков плетение пауков. 20-22 Кроме того, мы заключаем с необходимыми шаги для определения физических свойств синтетических волокон с использованием тензометр построить напряженно-деформированного кривые, которые позволяют исследователям рассчитать предел прочности, предельной деформации и прочность волокна. Наконец, но существенное значение, спиннинг, подкачку и рисование аппаратов может быть домашний построены с использованием коммерчески доступных частей, вместо того чтобы покупать сложную и дорогостоящую нестандартного оборудования.
Графический обзор: Biomimicry процесса прядения
Biomimicry природных паук производства шелка путь. Маршрут по производству синтетического шелка Это изображение показывает основные железы ampullate с золотой шар ткача, Nephila clavipes и компонентов, используемых для добычи природного шелк (белый текст). Хвост области синтезирует большое количество протеины шелка, которые транспортируются в ампуле, хранение регионе вращающегося допинг. Этот концентрированный наркотик выдавливается через вращающийся канал, где решение испытывает ионного обмена и обезвоживание до волоконно экструзии. Биомиметических процессы, используемые в нашей лаборатории, обозначены красным цветом. Рекомбинантный производства шелка создан с помощью трансгенных бактерий, а затем очистки белков с использованием хроматографии. Затем очищенный белок является субJect для лиофилизации сосредоточиться материала. Наконец, белок повторно растворяется в HFIP и выдавливают из шприца в изопропанол ванну.
1. Плазмиды Строительство и бактериального препарата клеточных культур
2. Лизиса клеток
3. Очистки белков: Ni-NTA Affinity колоночной хроматографии
4. Диализа и лиофилизации
5. Прядильные Dope подготовка
6. Подготовка шприца и аппараты установки
7. Пост-спин Draw и сбора проб
8. Испытание на растяжение
9. Представитель Результаты
В шаге 3, различных фракций должны быть проанализированы SDS-PAGE анализ и визуализация белков с серебромили Кумасси Brilliant Blue R-250. Из стандартных Ni-NTA условиях колонке, элюированием фракций с> 90% чистоты может быть получен (рис. 9). Малый загрязняющих белков могут быть в дальнейшем удалена обширный диализа. Использование 25 мкл спиннинг допинг на 20% (вес / объем), по крайней мере 30 различных образцов волокна могут быть собраны из непрерывного волокна раны на катушку (предполагается, начальная длина 13 мм используется). Механические свойства могут быть проанализированы тензометр испытаний (рис. 10). В зависимости от рекомбинантного белка шелка используется для прядения, максимальное соотношение спина после ничьей должны быть определены эмпирически. В общем, после спина сделать отношения 4.0x может быть достигнуто без разрушения волокон (рис. 10). Spun волокон, до или после того, как сообщение ничья спина, могут быть проанализированы с помощью сканирующего электронного микроскопа для визуализации ультраструктуры (рис. 11а, б). Spun волокна также могут быть использованы для механических испытаний, показывая результатычто при низких изменения в ничью после спин группы образцов отношение (рис. 10).
Рисунок 1. Выражение паучьего шелка кДНК у бактерий. А) pBAD TOPO / Thio вектор, содержащий шелка паука кДНК интерес превращается в компетентный E. кишечной клетки. Б) один колонии засевают в 200 мл LB и выросли до насыщения в одночасье. После прививки, 800 мл свежего LB добавляется и культуры индуцированный для выражения с помощью арабинозы. C) В заключение индукции, культуры центрифугированием. Нажмите здесь, чтобы увеличить рисунок .
Рисунок 2. Лизиса бактериальных клеток после индукции белков паука шелка. А) Двадцать milliliTERS от 1x лизис буфера и ДНКазы добавляется в осадок клеток и помещены на орбитальном шейкере и ультразвуком лизировать клетки. B) Клеточный лизат вращается в центрифуге, чтобы очистить супернатант клеточной мусора, и супернатант собирается. Нажмите здесь, чтобы увеличить рисунок .
Рисунок 3. Очистка шелка паука рекомбинантных белков методом аффинной хроматографии. А) Клеточный лизат супернатант и Ni-NTA шарики добавляют в хроматографии и выдерживают в течение 1 часа. Б) После flowthrough собираются, 20 мл промывочного буфера и 20 мл элюирующего буфера используются в последовательности и собраны в 5 мл фракции. C) различных фракций анализируются SDS-PAGE, чистые образцы, содержащие белка-мишени передается диализа сумку и диализовали против DI водызавершения. Нажмите здесь, чтобы увеличить рисунок .
Рисунок 4. Подготовка шелка пауков очищенного белка для мокрого прядения. А) Диализованный продукт передается предварительно взвешенные пробирки в 1 порции мл. Б) 1 порции мл, заморозки жидким азотом. С) замороженные образцы лиофилизированной и более диализа образец добавляется. D) Сушеные масса рассчитывается и HFIP добавляется в сухую смесь для производства 20% (вес / объем) вращается допинг. Нажмите здесь, чтобы увеличить рисунок .
Рисунок 5. Загрузка спиннинг допинга в стеклянный шприц для мокрого прядения. А) Удерживая СиринGE по вертикали, вращающиеся допинг прижимается к верхней части шприца колонки, удаления пузырьков воздуха. B) загружены шприц прилагается к шприцевой насос и опустить в 95% изопропанола ванну, и наконечник просто разрушение поверхности ванны.
Рисунок 6. Спулинг синтетических волокон шелка пауков на пользовательские устройства шатается. А) устройство для намотки каната изготовлена из цифровых суппорта с прикрепленными металла гребни. Двусторонняя лента наносится на обе стороны гребня приложить концов волокон. Б) катушка крепится к медленной скорости двигателя использовании крокодил. С) волокна медленно вытащили из ванны и алкоголь намотан на катушку. D) клей наносится на край каждого сегмента волокна, чтобы держать их на месте. Показаны два различных волокна нити из различных белков.
Рисунок 7. Сообщение спина привлечь синтетических волокон с использованием самодельного аппарата. А) устройство для намотки каната крепится к линейной установке привода использованием крокодил. Б) После ничьей шаг спина сообщение, катушка поднимается из ванны. Изопропанол капли могут испариться, прежде чем волокно коллекции.
Рисунок 8. Монтаж синтетических волокон шелка на картон для механических исследований. А) Собрание волокна расположены на картон кадры с 1 "х 1" вырез. Волокна изначально удерживается на месте с помощью двухсторонней ленты, а затем фиксируется клеем. B) картон кадров крепится тензометр. Стороны затем разрезать так напряженности только работает, хотя волокна.
Рисунок 9. Размер фракционирования очищенный рекомбинантный MaSp1 Протейн фракций с помощью SDS-PAGE анализа следует визуализации с окрашиванием серебром. Белки лестница изображен на кДа. Два образца мытья показать неспецифическое связывание с бисером, а элюирования образца указывают на необходимость в течение 6 коллекций для обеспечения полного восстановления белков.
Рисунок 10. Стресс деформации кривых волокна нити из рекомбинантных белков TuSp1 8. Цвета показывают волокон, которые подвергались различным спином сообщение ничья отношений, начиная от 2,5 до 6х. Волокна показывают низкий изменения в их отношении группы, как пост спина увеличение ничья отношений, прочность волокна увеличивается в то время как расширения уменьшается.
Рисунок 11. Сканирующей электронной микроскопии изображения волокон кружилась от рекомбинантных белков TuSp1. А) На 500x увеличение, гладкий внешнийповерхности можно увидеть. B) На 5000x, плотное ядро интерьера можно наблюдать из натурального разрыва волокон.
Синтетические волокна кружилась от этой методики механически того же порядка величины по сравнению с натуральными волокнами. Уменьшая количество человеческих ошибок по механизации буферизации и после процессов спин ничья, разница между экспериментальными образцами более контролир...
Нет конфликта интересов объявлены.
Эта работа была поддержана NSF RUI Гранты MCB-0950372 и DMR-1105310 озаглавленной «Молекулярная характеристика паука Черная вдова шелка и механического поведения паука шелка клея", соответственно.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Реагент / Оборудование | Компания | Номер по каталогу | Комментарии |
pBAD / TOPO ThioFusion выражения Kit | Invitrogen | K370-01 | |
FastBreak лизиса клеток реагентов, 10x | Promega | V857C | |
Ni-NTA агарозы | Qiagen | 30210 | Включает в себя инструкции для буферов |
ProteoSilver Серебряный пятна Kit | Sigma-Aldrich | PROTSIL1-1KT | |
Freezone лиофилизатор | Labconco | 7960041 | Freezone 12Plus |
Гексафторизопропанол (HFIP) | Sigma-Aldrich | 52512 | |
Шприц | Гамильтон | 7657-01 | 250 мкл |
Игла | Гамильтон | 7780-01 | 26s Gauge, тупым концом иглы съемные |
Шприцевой насос | Гарвардский аппарата | 702208 | 11Plus |
Цифровой суппорт | Carrera | CP5906 | 0-150 мм диапазоне |
Нержавеющая сталь щипцы | Инструменты Всемирной Precision | 501764 | Мини Дюмон # M5S |
Двигатель | Природа Mill | 7090529 | 12 В постоянного тока, 2 мин скорость |
Линейный привод | Warner электрические | 01-D024-0050-A06-LP-IP65 | 24 В, 6-дюймовый круг |
Препаровальная лупа | Leica Microsystems | Leica MZ16 | |
Цифровой microscОПЕ камеры | Leica Microsystems | DFC320 | Программное обеспечение: Leica приложений v2.8.1 |
Vannas ножницы | Инструменты Всемирной Precision | 500260 | |
Microtensometer | Аврора Научные | 310C | 5N Dual-Mode системы |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены