高分子材料考研(高分子材料考研学校排名)

高分子材料考研，高分子材料考研学校排名

肌肉的强度可能超乎你的想象。

近日，圣路易斯华盛顿大学麦凯维工程学院的研究人员在 Nature Communications 刊文“Microbial production of megadalton titin yields fibers with advantageous mechanical properties”，介绍了利用微生物产生高分子量的肌联蛋白，并将其纺织成纤维，其某些力学性能超过了大部分人工合成材料、天然材料以及微生物材料。

图丨肌肉的多尺度结构和肌动蛋白在大肠杆菌中聚合的示意图。（来源：研究论文）

文章的通讯作者张福中教授与生辉 SynBio，交流了他的研究以及对合成生物学的思考。

图丨张福中（来源：受访者）

张福中 2003 年在北京大学获得化学学士学位，后赴加拿大麦克马斯特大学获硕士学位，多伦多大学获博士学位，曾在劳伦斯伯克利国家实验室从事博士后研究，博后研究方向是合成生物学。

开发高分子材料改造平台

鉴于多学科的学习经历，张福中希望把合成生物学技术深度应用到化学领域，而当时业内大部分学者已经开始进行小分子的生物合成研究，简单的生物合成小分子化合物可以用作化工试剂或原料，但因其市价低廉而很难和成熟的石油工业竞争；也有其他学者在进行药物分子的合成研究，但这些药物分子中大部分的市场规模较小。

所以，一些学者开始把目光投向有巨大市场规模的大分子聚合物，比如高分子材料。

合成生物学的研究经历给了张福中一个新的视角来看待高分子材料，“自然界中有很多天然的大分子物质，它们的某些性能要比人工合成的高分子性能还要好，受这方面启发，当时我决定尝试用合成生物学的方法合成这些有良好性质的、且用化工手段难以合成的大分子材料。”

“我们最早做的是蛛丝蛋白，蛛丝蛋白是一个非常经典的例子，它的力学性能非常好，有很高的强度和韧性，比绝大多数合成的高分子材料还要好。”

（来源：medicinenet）

蛛丝蛋白也是生物学界一直关注的物质，此前有科学家尝试将蛛丝蛋白的基因移植到山羊体内，并从后代母羊的羊奶中提取出来蛛丝蛋白，但问题是其力学性能并不如蜘蛛制造的真正的蛛丝蛋白，原因可能是蛛丝蛋白的分子量非常大，并且序列重复性非常高，合成难度大。

“我觉得这正是合成生物学能解决的问题，于是我们开始了合成蛛丝蛋白的挑战，3 年前我们成功在大肠杆菌里合成了蛛丝蛋白，经过纺丝之后的力学性能几乎和天然的蛛丝蛋白是一样的。”

而合成生物学技术的魅力在于不仅仅能利用工程微生物合成天然产物，还可以解析物种的基因并对天然物质进行改造，赋予其更多特性。

“从进化的角度来看，蛛丝蛋白不一定是最强的，因为对于蜘蛛来说，它只是需要蛛丝蛋白张网捕猎，所以蛋白的强度只需要支撑住自己的重量，所以一定存在更强的蛋白分子。合成生物学的一个特点是可以在基因层面上对蛋白分子进行改造，并且有很大的优化空间。”

“就算不使用非天然氨基酸，只利用 20 种必需氨基酸，其互相排列组合的序列也是非常多的，总会有一些序列能够产生更强的蛛丝蛋白。”

今年 7 月，上述内容的相关文章发表在 ACS Nano 上。通过引入外源的具有形成 β-纳米晶体的淀粉样序列，张福中团队开发出一个具有 128 个重复序列的淀粉样蛛丝聚合蛋白。该蛋白纺出的纤维具有千兆帕的强度（用于衡量破坏固定直径纤维所需的力），比普通钢更坚固；同时纤维的韧性（衡量断裂纤维需要多少能量的指标）高于防弹材料凯夫拉和所有以前的重组丝纤维。

图丨不同天然和重组丝纤维的韧性和强度。红色为研究改造的蛛丝蛋白。（来源：研究论文）

这种纤维的强度和韧性甚至高于一些已经报道的天然蜘蛛丝纤维。“通过这一项目，我们搭建起了改造天然材料的体系，可以用于更多天然高分子材料的生物合成。”

高强度、高韧性的肌肉材料

“这次发表在 Nature Communications 上的关于肌肉蛋白的文章，也是受蛛丝蛋白的启发。肌肉是另外一种力学性质非常好天然材料，。”

肌肉的纤维需要支持动物的运动或者奔跑。自然进化就是筛选性能更好的肌纤维材料的过程，如果纤维很弱，动物就跑不快，不易生存。

一些学者甚至认为心肌纤维在生物的一生中是基本不会被替换的，在生物体出生之前，心肌纤维就已经形成，并在生物的一生中高效率的工作。

“从材料学角度来看，这是非常 amazing 的一种材料，整个学术界都对肌纤维非常感兴趣。”张福中介绍到。

“对于很多材料来说，分子量越大，材料的性能越好，但是合成大分子量的蛋白材料是很困难的，尤其是在活细胞体内，活体细胞不会接受重复性很高的序列。所以我们先让细胞把肌动蛋白单体合成出来，先保证基因的稳定性和合成的通量，然后筛选了一种蛋白质，对其改造后，能够在细胞内对单体分子进行聚合，形成高分子的肌动蛋白材料。”

图丨肌动蛋白纤维模型单轴拉伸试验的分子动力学模拟。（来源：研究论文）

“我们这篇论文还强调了这项用于蛋白聚合的技术不光能用在肌动蛋白上，还可以用于其它蛋白，其实科学家已经发现了很多力学性质很好的蛋白，但是苦于没有合适的载体，例如微生物用来生物合成。”

“后续我们还计划合成与真实肌肉相近的组织，用于组织修复等医学场景中，例如组织创伤、烧伤等。此外，对于一些力学性质要求高的场景，例如航空航天等，这种材料也有更好的应用。”

张福中告诉生辉 SynBio，近期也在和一些公司洽谈，计划将一些成熟的研究进行产业化。

从高端向低端，逐步替代石油材料

中国生物产业发展报告（2020-2021）中指出，我国是化纤生产大国，2019 年我国化学纤维产量达5827吨，占世界化纤总量的 70% 以上，其中合成纤维产量为 5362.2 万吨，占我国化纤总量的 90% 以上[4]。

因其原料来源于石化资源，随之带来的资源和环境问题，将威胁到人类的生活和环境可持续发展，生物基化学纤维有望作为解决资源危机和环境污染的新材料[4].

中国科学院成都文献情报中心陈方团队在中国生物工程杂志上刊文指出，2020 年全球生物基聚合物产量 420 万吨， 占化石基聚合物总产量的 1%，复合年均增长率首次达到 8％，显著高于聚合物的整体增长速度（3%～4％）[5]。

亚洲是生物基材料的生产中心，2020 年产量占比 47%，其次是欧洲，产量占比 26%，美国的生物基材料产量也在持续增长。当前全球生物基化学品产能约 1.8 亿吨， 产量在 9 千万吨左右，每年创造收益约 100 亿美元[5]。

该文章还指出，生物基产业是一片广阔新蓝海，赛道众多，总市场规模近 8000 亿美元，缺口近 6000 亿美元。据经合组织预计，全球有超过 4 万亿美元的产品由化工过程而来，在未来的 10 年，至少有 20% 的石化产品、约 8000 亿美元的石化产品可由生物基产品替代，目前替代率不到 5%， 缺口近 6000 亿美元[5]。

张福中也认为，相比成熟的石油工业，生物基材料可能目前还做不到将其完全替代，需要一个时间尺度，可能百年或者更久。

“但目前有一批材料有可能在短时间内替代石油材料，比如一些高端的、力学性能强的材料。因为对于这些材料来说基于石油的化工制造过程也非常困难，造价很高，甚至对于一些要求更苛刻的材料，化工方法是无法合成出来的，比如蛛丝蛋白、高分子肌动蛋白材料等，这些材料的韧性比凯夫拉要更高。”

“当航空航天等领域需要一些韧性大的材料，生物材料的优势就体现出来了，这方面我觉得可能在接下来的几年之内，就会出现替代品。”

张福中还认为，“生物材料的市场会从高端逐渐向低端移动，所以对于一些材料来说，越早发现基于生物的制造方法，就越有更多的可替代性产品出现。”

参考资料:

1、https://www.nature.com/articles/s41467-021-25360-6

2、https://engineering.wustl.edu/news/2021/Synthetic-biology-enables-microbes-to-build-synthetic-muscle.html

3、https://engineering.wustl.edu/news/2021/Microbially-produced-fibers-stronger-than-steel-tougher-than-Kevlar.html

4、中国生物产业发展报告2020-2021.

5、吴晓燕，陈方，丁陈君，孙裕彤．全球生物经济现状、趋势与融资前景分析．中国生物工程杂志. https://doi.org/10.13523/j.cb.2107015

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