Fibres produites par voie microbienne : plus résistantes que l’acier, plus résistantes que le kevlar

25 JUILLET 2021 source : anguille sous roche

La soie d’araignée est réputée être l’un des matériaux les plus solides et les plus résistants de la planète.

Les protéines à 128 répétitions ont donné naissance à une fibre d’une résistance gigapascal, plus solide que l’acier ordinaire. La résistance de la fibre est supérieure à celle du Kevlar et de toutes les fibres de soie recombinées précédentes. Sa force et sa résistance sont même supérieures à celles de certaines fibres de soie d’araignée naturelles. Crédit : Washington University in St. Louis/Jingyao Li

Des ingénieurs de l’université de Washington à Saint-Louis ont conçu des protéines hybrides de soie amyloïde et les ont produites dans des bactéries modifiées. Les fibres obtenues sont plus solides et plus résistantes que certaines soies d’araignée naturelles.

Leurs recherches ont été publiées dans la revue ACS Nano.

Pour être précis, la soie artificielle, appelée fibre « amyloïde polymère », n’a pas été produite par des chercheurs, mais par des bactéries génétiquement modifiées dans le laboratoire de Fuzhong Zhang, professeur au département d’ingénierie énergétique, environnementale et chimique de la McKelvey School of Engineering.

Zhang a déjà travaillé sur la soie d’araignée auparavant. En 2018, son laboratoire a conçu des bactéries qui ont produit une soie d’araignée recombinante aux performances équivalentes à celles de ses homologues naturels pour toutes les propriétés mécaniques importantes.

« Après nos précédents travaux, je me suis demandé si nous pouvions créer quelque chose de mieux que la soie d’araignée en utilisant notre plateforme de biologie synthétique », a déclaré Zhang.

L’équipe de recherche, dont le premier auteur est Jingyao Li, étudiant en doctorat dans le laboratoire de Zhang, a modifié la séquence d’acides aminés des protéines de la soie d’araignée pour introduire de nouvelles propriétés, tout en conservant certaines des caractéristiques attrayantes de la soie d’araignée.

Un problème associé à la fibre de soie d’araignée recombinante – sans modification significative de la séquence de la soie d’araignée naturelle – est la nécessité de créer des β-nanocristaux, un composant principal de la soie d’araignée naturelle, qui contribue à sa résistance. « Les araignées ont compris comment filer des fibres avec une quantité souhaitable de nanocristaux », a déclaré Zhang. « Mais lorsque les humains utilisent des procédés de filage artificiels, la quantité de nanocristaux dans une fibre de soie synthétique est souvent inférieure à celle de son homologue naturelle. »

Pour résoudre ce problème, l’équipe a redessiné la séquence de soie en introduisant des séquences amyloïdes qui ont une forte tendance à former des β-nanocristaux. Ils ont créé différentes protéines amyloïdes polymères en utilisant trois séquences amyloïdes bien étudiées comme représentants. Les protéines obtenues présentaient moins de séquences d’acides aminés répétitives que la soie d’araignée, ce qui les rendait plus faciles à produire par des bactéries modifiées. En fin de compte, les bactéries ont produit une protéine amyloïde polymère hybride comportant 128 unités répétitives. L’expression recombinante de la protéine de la soie d’araignée avec des unités répétitives similaires s’est avérée difficile.

Ce graphique compare la ténacité et la résistance de différentes fibres de soie naturelles et recombinantes. En rouge, la fibre amyloïde polymère développée dans le laboratoire de Fuzhong Zhang. Crédit : Université de Washington à St. Louis/Jingyao Li

Plus la protéine est longue, plus la fibre obtenue est solide et résistante. Les protéines à 128 répétitions ont donné une fibre dont la résistance est de l’ordre du gigapascal (mesure de la force nécessaire pour briser une fibre de diamètre fixe), ce qui est plus solide que l’acier ordinaire. La ténacité de la fibre (mesure de la quantité d’énergie nécessaire pour briser une fibre) est supérieure à celle du Kevlar et de toutes les fibres de soie recombinées précédentes. Sa force et sa résistance sont même supérieures à celles de certaines fibres de soie d’araignée naturelle.

En collaboration avec Young-Shin Jun, professeur au département de l’énergie, de l’environnement et du génie chimique, et son étudiant en doctorat Yaguang Zhu, l’équipe a confirmé que les propriétés mécaniques élevées des fibres amyloïdes polymères proviennent en effet de la quantité accrue de β-nanocristaux.

Ces nouvelles protéines et les fibres qui en résultent ne sont pas la fin de l’histoire des fibres synthétiques à haute performance du laboratoire Zhang. Elles ne font que commencer. « Cela démontre que nous pouvons utiliser la biologie pour produire des matériaux qui battent les meilleurs matériaux de la nature », a déclaré Zhang.

Source : MessageToEagle – Traduit par Anguille sous roche