거미줄은 최초로 유전자 변형 누에에 의해 만들어졌습니다.

중국의 과학자들은 유전자 변형 누에로부터 거미줄을 생산하는 방법을 개발하여 다양한 산업 분야에 적용할 수 있는 합성 섬유에 대한 강력하고 지속 가능한 대안을 제공했습니다.

연구진은 유전자 변형 누에로부터 거미줄을 만들어 방탄 조끼에 사용되는 케블라 섬유보다 6배 더 강한 섬유를 생산했습니다. 이 연구는 9월 20일 저널에 게재되었습니다. 주제는 누에를 이용하여 최초로 거미줄 전체 단백질을 생산하는 데 성공했습니다. 결과는 나일론과 같은 상업용 합성 섬유에 대한 환경 친화적인 대안을 제조하는 데 사용할 수 있는 기술을 보여줍니다.

Mei는 “누에 실크는 현재 확립된 육종 기술을 사용하여 널리 상용화되는 유일한 동물 실크 섬유입니다.”라고 말했습니다. “따라서 유전자 변형 누에를 이용해 거미줄 섬유를 생산하면 저비용, 대규모 상업화가 가능합니다.”

강제 롤러 실크의 사진. 크레딧: Junpeng Mei

거미줄의 지속 가능성

과학자들은 거미줄을 합성 섬유에 대한 매력적이고 지속 가능한 대안으로 보고 있습니다. 합성 섬유는 유해한 미세 플라스틱을 환경에 방출할 수 있고 종종 온실 가스를 배출하는 화석 연료에서 생산됩니다. 그러나 대안을 찾기 위해 자연으로 전환하는 데 어려움이 없는 것은 아닙니다. 합성 거미줄을 방사하기 위해 이전에 개발된 공정은 실크에 당단백질과 지질의 표면층을 적용하여 습기와 햇빛에 대한 노출을 견딜 수 있도록 하는 데 어려움을 겪었습니다. 이 층은 거미가 거미줄에 적용하는 노화 방지 “피부층”입니다.

Mee는 누에가 비슷한 보호층으로 섬유질을 덮기 때문에 유전자 변형 누에가 이 문제에 대한 해결책을 제공한다고 말합니다.

“거미줄은 탐사가 시급히 필요한 전략적 자원을 대표합니다.”라고 동화대학교 생명과학 및 의료공학부의 박사과정 학생이자 이번 연구의 제1저자인 Junping Mei가 말했습니다. “이 연구에서 생산된 섬유의 예외적으로 높은 기계적 성능은 이 분야에서 큰 가능성을 가지고 있습니다. 이러한 유형의 섬유는 연간 3억 건이 넘는 수술 절차에 대한 전 세계 수요를 충족시키는 수술용 봉합사로 사용될 수 있습니다.

거미 실크 섬유는 또한 보다 편안한 의류와 혁신적인 유형의 방탄 조끼를 만드는 데 사용될 수 있으며 스마트 소재, 군사, 항공 우주 기술 및 생체 의학 공학에 응용될 수 있다고 Mei는 말합니다.

유전자 변형 누에가 생산한 실크 섬유. 크레딧: Junpeng Mei

합성 과정과 과제

누에로부터 거미줄을 뽑기 위해 메이와 그의 팀은 거미줄 단백질 유전자를 세포에 삽입했습니다. DNA CRISPR-Cas9 유전자 편집 기술과 수정된 누에알에 대한 수십만 번의 미세 주입을 결합하여 누에에서 분비선으로 발현됩니다. 메이는 ICSI가 이번 연구에서 “가장 중요한 과제 중 하나”를 제기했지만, 성공적인 유전자 편집의 신호인 형광 현미경으로 누에의 눈이 붉게 빛나는 것을 보고 매우 기뻤다고 말했습니다.

“나는 이 결과를 공유하기 위해 춤을 추고 실제로 Meng Qing 교수의 사무실로 달려갔습니다.”라고 Mei는 말했습니다. “저는 그날 밤을 또렷이 기억합니다. 흥분이 저를 잠 못 이루게 했습니다.”

연구자들은 또한 누에 분비선의 단백질과 올바르게 상호 작용하여 섬유가 올바르게 회전되도록 유전적으로 조작된 거미줄 단백질에 “국소화” 변형을 가해야 했습니다. 수정 사항을 안내하기 위해 팀은 누에 실크의 “소형 기본 구조 모델”을 개발했습니다.

Mee는 “이 논문에서 소개된 ‘국소화’ 개념은 제안된 단순한 구조 모델과 함께 이전 연구와 크게 다른 점을 나타냅니다.”라고 말했습니다. “대규모 상용화가 곧 이뤄질 것으로 확신합니다.”

미래 전망

앞으로 Mei는 현재 연구에서 개발된 거미줄 섬유의 내구성과 강도에 대한 통찰력을 활용하여 천연 및 공학 재료로 거미줄 섬유를 생산하는 유전자 변형 누에를 개발할 계획입니다. 아미노산.

Mei는 “100가지가 넘는 가공 아미노산의 도입은 가공 거미줄 섬유에 무한한 잠재력을 가지고 있습니다.”라고 말합니다.

참고 자료: Junpeng Mi, Yizhong Zhou, Sanyuan Ma, Xingping Zhou, Shouying Xu, Yuchen Yang, Yuan Sun, Qingyou Xia, Hongnian Zhu, Suyang Wang의 “유전자 변형 누에에서 뽑아낸 고강도 및 초강력 전체 거미 실크 섬유” , Luoyang Tian 및 Cheng Meng, 2023년 9월 20일, 주제.
도이: 10.1016/j.matt.2023.08.013

이 작업은 중국 국립 자연과학 재단, 상하이 시 과학 기술 위원회의 핵심 프로젝트, 상하이 시 과학 기술 위원회의 국제 협력 프로젝트, 중앙 대학의 기초 연구 기금의 지원을 받았습니다.