Exploring silk protein assembly mechanisms for high-performance materials

Silkkiproteiinit osoittavat merkittävää potentiaalia korkean suorituskyvyn materiaalien rakennuspalikoina. Niiden ainutlaatuisen proteiinirakenteen vuoksi ne omaavat monenlaisia ominaisuuksia, kuten erittäin korkea vetolujuus ja joustavuus, biohajoavuus, biokompatibiliteetti, ja kyky muodostaa kuituja luonnollisissa olotiloissa — ominaisuuksia, joita ei yleensä esiinny synteettisissä kuiduissa. Vaikka silkkiproteiinien hankkiminen suoraan luonnosta on haastavaa, geenitekniikan soveltaminen mahdollistaa suurten määrien rekombinanttisilkkiproteiinien tuottamisen. Kuitenkin ongelmana on, että funktionaalisten materiaalien muodostumiseen johtavat reitit ovat vielä osin tuntemattomia. Aikaisemmat tutkimukset viittaavat siihen, että ratkaisut piilevät silkkiä tuottavien eläimien monimutkaisessa kuidun kehräysmekanismissa. Julkaisu 1 keskittyy Bombyx mori -silkkitoukan silkin kehräysmekanismin tutkimiseen. Silkkirauhasen keskiosan aminohappokartoitus näytti asteittaisen muutoksen tiettyjen aminohappojen pitoisuuksissa, joka liittyi eri serisiiniproteiinien eritykseen. Muutos korreloi silkkimassan käyttäytymisen kanssa altistuessa venytykselle. Tämä käyttäytyminen puolestaan tehostui yksinkertaisella pH-modifikaatiolla. Julkaisu 2 esittelee hienostuneemman version silkkikuituja tekevästä laitteesta, joka on suunniteltu kuitujen hallittuun vetämiseen ja venytyskokeisiin, ja lisäksi mahdollistaa kokeiden automaation. Laitteella vedettiin kuituja regeneroidusta silkkiliuoksesta, jotka saavuttivat 147 MPa:n mediaanivetolujuuden. Lisäksi havaittiin, että rekombinanttisilkkiproteiini kykeni muodostamaan rakenteita vesi-ilma-rajapinnassa, mikä mahdollisti hyvin ohuiden kuitujen vetämisen silkkipisaroista. Neste-neste faasierottuminen osoittautui merkittäväksi tekijäksi vahvempien kuitujen luomisessa, mikä näyttää tämän monimutkaisen tapahtuman hallinnan välttämättömyyden. Materiaalien muodostuminen silkistä ei rajoitu vain kuituihin. Julkaisu 3 esittelee yksinkertaisen menetelmän valmistaa hydrofobisia kalvoja silkkiproteiineista. Hydrofobisuus muodostuu silkkiproteiinin luontaisesti hydrofobisten osien järjestäytymisestä kalvon pinnalla. Tämä tapahtuu, kun silkkikalvot valmistetaan korkeassa suhteellisessa kosteudessa ja tietyssä suolapitoisuudessa. Tämä järjestäytyminen ei ollut kriittisesti riippuvainen silkkiproteiinin aminohapposekvenssistä taikka käytetystä suolasta, vaikkakin tietyt variaatiot osoittivat parempaa suorituskykyä. Kalvojen kastuessa silkin ja suolan vuorovaikutus kuitenkin häiriintyi, mikä johti muutoksiin kostumisominaisuuksissa. Vaikka silkkipohjaisten kalvojen kestävyyden puute rajoittaa niiden soveltuvuutta, tämä työ osoittaa näiden amfifiilisten silkkiproteiinien monipuolisen luonteen.