Syntetičtí biologové vyrobili umělé svaly. Použít se dají v biomedicíně, textilnictví i robotice

Nosili byste oblečení ze svalových vláken? Používali je k uvázání bot nebo je dokonce nosili jako pásek? A změnili byste názor, kdybyste věděli, že jsou tato vlákna mechanicky mnohem odolnější než bavlna, hedvábí, nylon nebo dokonce i kevlar? A co je hlavní – při jejich výrobě netrpělo jediné zvíře.

Vědci z McKelvey School of Engineering na Washingtonské univerzitě v St. Louis vyvinuli postup pro dosažení polymerace proteinů uvnitř upravených mikrobů. Bakterie díky tomu dokážou produkovat svalový protein s velmi vysokou molekulovou hmotností – titin. Ten je následně spředen do velmi odolných vláken.

Jejich výzkum byl zveřejněn v pondělí 30. srpna v časopise Nature Communications. Vědci již také podali žádost o patentovou ochranu.

„Výroba umělých svalových vláken může být levná a může se uskutečňovat ve velkém. Navíc mohou mít opravdu široké uplatnění, stejné, nad jakými se uvažovalo v souvislosti se skutečnými svalovými vlákny zvířecího původu,“ říká Fuzhong Zhang, profesor na Katedře energetiky, environmentálního a chemického inženýrství. Díky nejnovějšímu objevu se mohou tyto aplikace uskutečnit bez potřeby skutečných zvířecích tkání.

Syntetický svalový protein produkovaný v Zhangově laboratoři je titin, který je jednou ze tří hlavních proteinových složek svalové tkáně. Za jeho dobrými mechanickými vlastnostmi stojí velká molekulová hmotnost. „Je to vůbec největší známý protein,“ říká doktorand Cameron Sargent z Divize biologických a biomedicínských věd, který je společně s dr. Christopherem Bowenem prvním autorem studie.

Svalová vlákna jsou předmětem zájmu již delší dobu. Vědci se snaží navrhnout materiály s podobnými vlastnostmi, jako mají svaly, pro různé aplikace. Jednou z možností je jejich využití v tzv. měkké robotice, která se zabývá konstrukcí robotů z vysoce pružných materiálů, podobných těm, které se nacházejí v živých organismech. „Řekli jsme si: Proč nevyrobit přímo syntetické svaly?“ popisuje Zhang. „Zvířata k tomu ale potřebovat nebudeme, stačí mikroby.“

Aby se předešlo některým problémům, které obvykle brání bakteriím v produkci velkých proteinů, výzkumný tým upravil bakterie tak, aby seskládaly menší segmenty proteinu do polymerů s ultra vysokou molekulovou hmotností – přibližně dvou megadaltonů. To je velikost asi 50 krát větší, než má průměrný bakteriální protein. Poté procesem zvaným mokré spřádání přeměnili proteiny na vlákna, která měla průměr kolem deseti mikronů, což odpovídá jedné desetině tloušťky lidského vlasu.

Ve spolupráci s Youngem Shin Junem, profesorem na Katedře energetiky, environmentálního a chemického inženýrství a Sinanem Ketenem, profesorem na Katedře strojního inženýrství na Northwestern University, skupina poté analyzovala strukturu těchto vláken. Účelem bylo zejména objasnit molekulární mechanismy stojící za jejich jedinečnou kombinací vlastností, kterými jsou výjimečná houževnatost, pevnost, tlumicí schopnost a schopnost převádět mechanickou energii na teplo.

Kromě klasického oblečení nebo ochranných oděvů (vlákna jsou pevnější než kevlar, materiál používaný v neprůstřelných vestách) může mít potenciálně tento materiál také mnoho biomedicínských aplikací. Protože je tento syntetický materiál téměř identický s proteiny nacházejícími se ve svalové tkáni, je pravděpodobně biokompatibilní, a proto by mohl být ideálním materiálem pro šití ran či být používán v tkáňovém inženýrství.

Zhangův výzkumný tým má v plánu s výzkumem na poli syntetických svalových vláken dále pokračovat. Budoucnost pravděpodobně přinese více obdobných unikátních materiálů, které budou vyráběny mikroby.

„Krása systému spočívá v tom, že je to opravdu platforma, kterou lze použít kdekoli,“ říká Sargent. „Můžeme odebírat proteiny z různých přírodních kontextů, poté je vložit na tuto platformu a vytvořit větší, delší proteiny pro různé materiálové aplikace s větší udržitelností.“

Originální publikace: https://www.nature.com/articles/s41467-021-25360-6

Zdroj: Phys.org, zdroj titulního obrázku: Daniel Dino-Slofer, Pixabay.