Exploring silk protein assembly mechanisms for high-performance materials
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Technology |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2024-03-01
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.
Author
Date
2024
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
67 + app. 93
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 15/2024
Abstract
Silk proteins present remarkable potential as the building blocks for high-performance materials. Due to their unique protein structure, they exhibit a variety of properties, such as a combination very high tensile strength and elasticity, biodegradability, biocompatibility, and ability to be spun in natural conditions — qualities uncommon in synthetic fibres. While challenging to acquire through natural means, the application of gene engineering allows to produce substantial quantities of recombinant silk proteins. However, the assembly pathways leading to the formation of functional materials remain largely unknown, with the evidence suggesting that crucial insights lie within the intricate spinning mechanism of silk-producing animals. Publication 1 delves into an investigation of the native spinning system of Bombyx mori silkworm. Amino acid mapping throughout the middle silk gland revealed a gradual change in various amino acids, attributed to the increase in different sericin proteins. This change correlated with the extensional behaviour of the silk dope, which was further enhanced by a straightforward pH modification inspired by the native spinning system. Publication 2 introduces a more sophisticated silk pulling device designed for controlled pulling and tensile testing, with a focus in automation. The device was employed to pull fibers from regenerated silk solution. Although immune to the pH induced dimerization due to irreversible changes by the regeneration, the fibroin fibers displayed a considerable median tensile strength of 147 MPa. In addition, a recombinant silk protein was observed to preassemble at an air-water interface, allowing pulling of thin fibers from droplets of silk. Liquid-liquid phase separation was found to be a significant factor in creating stronger fibers, demonstrating the necessity of controlling this intricate aspect of molecular assembly. Not limited to fibers, silk proteins find application as building blocks for films. Publication 3 details the development of a simple deposition method to create highly hydrophobic silk films. These films, characterized by the arrangement of intrinsically hydrophobic regions of the silk protein, formed in the presence of a specific salt concentration and high relative humidity during drying. Notably, the phenomenon was not strictly dependent on the silk protein sequence or the type of salt, although certain variations displayed superior performance. The films were altered by wetting, disrupting the interaction between the silk and salt. Although the lack of durability limits applicability of the silk films, this work demonstrates the versatile nature of the amphiphilic silk proteins.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.Description
Supervising professor
Linder, Markus, Prof., Aalto University, Department of Bioproducts and Biosystems, FinlandThesis advisor
Linder, Markus, Prof., Aalto University, Department of Bioproducts and Biosystems, FinlandKeywords
recombinant spider silk, regenerated silk fibroin, fiber, film, liquid-liquid phase separation, amino acid analysis, wetting, contact angle, rekombinanttisilkkiproteiini, regeneroitu silkki, kuitu, kalvo, neste-neste faasierottuminen, aminohappoanalyysi, kostuminen, kontaktikulma
Other note
Parts
- [Publication 1]: Välisalmi, Teemu; Linder, Markus B. “The ratio of fibroin to sericin in the middle silkgland of Bombyx mori and its correlation with the extensional behavior of the silk dope.”Accepted for publication in Wiley Protein Science on 5th of January, 2024.
-
[Publication 2]: Välisalmi, Teemu; Bettahar, Houari; Zhou, Quan; Linder, Markus B.” Pulling and analyzingsilk fibers from aqueous solution using a robotic device” Int. J. Biomater. 250, p.126161 (2023).
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202308235012DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2023.126161 View at publisher
-
[Publication 3]: Pezhman; Linder, Markus B. “Highly Hydrophobic Films of Engineered Silk Proteins by aSimple Deposition Method” Langmuir 39 (12), pp. 4370–4381 (2023).
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202303292619DOI: 10.1021/acs.langmuir.2c03442 View at publisher
