Engineering flax-protein composites
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2020-05-18
Department
Major/Subject
Biosystems and Biomaterials Engineering
Mcode
CHEM3028
Degree programme
Master’s Programme in Life Science Technologies
Language
en
Pages
75+1
Series
Abstract
Nature offers endless ideas and possibilities for the design of new materials. For instance, flax fibres are natural plant fibres with high tensile strength and stiffness, and spider dragline silk has excellent mechanical strength for its weight combined with high elasticity. By coacervate-mediated (liquid-liquid phase separation) infiltration of plant cells (flax) with recombinantly produced silk-like protein, the properties of flax fibres and spider silk could be combined to create new composite materials. Understanding the mechanism by which proteins enter the plant cell wall also contributes to developing new processes to modify lignocellulosic fibres more generally. Accordingly, the aims of this thesis were to develop a method for making a composite material from flax fibres and recombinant silk-like protein, study the mechanical properties and the structure of the material, and determine whether the protein has penetrated the cell wall of flax fibres. Silk-like protein construct CBM-AQ12-CBM was modified by adding a affinity-tag StrepII in N-terminus of the protein. The silk-like proteins middle region, AQ12, is similar to spider Araneus diadematus dragline silk gene ADF3, while the terminal regions are cellulose binding domains (CBM) from Clostridium thermocellum cellulosome. The silk-like protein was expressed in Escherichia coli, the protein was combined with flax fibres, the materials mechanical properties were evaluated by tensile test and the structure of the material was studied by electron microscope. While the StrepII-tag improved the protein yield it was not found to change the properties of the protein. Results of the mechanical tests displayed significant scatter, explained in part by the range of flax fibre diameters tested. Overall, the protein treatment increased the diameter of the technical flax fibres by gluing the individual in solution into a plied structure. While the protein treated fibres were not stronger, their energy storing capacity was greater, a more uniform behaviour under stress, and differences in the type of failure were observed. The localization of the protein within the fibre and microstructure of the material remain unclear. In future, the role of fibre diameter in the response of the material to stress must be studied and the methods for imaging of the structure improved.Luonto tarjoaa loputtomasti ideoita ja mahdollisuuksia uusien materiaalien suunnitteluun. Esimerkiksi pellavakuidut ovat luonnonkuituja, jotka ovat voimakkaita ja jäykkiä, ja hämähäkin silkki on loistavaa mekaaniselta vahvuudeltaan verrattuna sen painoon sekä erittäin joustavaa. Parhaat pellavakuitujen ja hämähäkin silkin ominaisuudet voitaisiin yhdistää uudeksi komposiittimateriaaliksi rekombinanttisesti tuotettujen silkinkaltaisten proteiinien infiltraation avulla koaservaattien (neste-neste faasierottuminen) muodossa kasvisolujen (pellava) sisälle. Proteiinien kasvisoluseinän läpäisyn mekanismin ymmärtäminen auttaisi myös uusien lignoselluloosa kuitujen muokkausprosessien kehityksessä. Tämän diplomityön tavoitteet olivat kehittää menetelmä komposiittimateriaalin valmistamiseen pellavakuiduista ja rekombinanttisesta silkinkaltaisesta proteiinista, tutkia materiaalin mekaanisia ominaisuuksia ja rakennetta sekä määrittää, onko proteiini läpäissyt pellavakuitujen soluseinän. Silkinkaltaista proteiinirakennetta, CBM-AQ12-CBM, muokattiin lisäämällä StrepII-affiniteetti tagi proteiinin N-terminaaliin. Tämän silkinkaltaisen proteiinin keskiosa, AQ12, on samankaltainen Araneus diadematus-hämähäkin silkkiproteiinin ADF3 kanssa ja päätyosat ovat selluloosaan sitoutumisrakenteet (cellulose binding domain, CBM) Clostridium thermocellum cellulosome-bakteerista. Silkinkaltainen proteiini tuotettiin Escherichia coli-bakteerissa, proteiini liitettiin yhteen pellavakuitujen kanssa, materiaalin mekaanisia ominaisuuksia tutkittiin vetokokeilla ja materiaalin rakennetta tutkittiin elektronimikroskoopilla. Vaikka strepII-tagi kasvatti proteiinisaantoa se ei muuttanut proteiinin ominaisuuksia. Mekaanisten testien tuloksissa oli suurta hajontaa, jota osittain selittää kuitujen vaihteleva halkaisija. Kaiken kaikkiaan proteiinikäsittely kasvatti teknisten kuitujen halkaisijaa liimaamalla erillisiä kuituja yhteen. Proteiinilla käsitellyt kuidut eivät olleet voimakkaampia, mutta niillä oli suurempi energian säilömiskyky, yhtenäisempi käyttäytyminen kuormituksen alla ja kuitujen katkeamistapa muuttui. Proteiinin sijainti kuiturakenteessa ja materiaalin mikrorakenne jäi epäselväksi. Tulevaisuudessa kuitujen halkaisijan vaikutusta mekaanisiin ominaisuuksiin täytyy tutkia ja rakenteen kuvantamista mikroskoopeilla täytyy kehittää.Description
Supervisor
Linder, MarkusThesis advisor
Gandier, Julie-AnneKeywords
flax, protein, biocomposite, spider silk, recombinant protein expression