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自然界中最强胶水,竟然不是贻贝生产的,第一名是它!
2021年11月10日    阅读量:     新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

【自然界中最强胶水】

向自然界中的生物借智慧是当下研发高性能材料的热点之一,形成了仿生学领域。

例如,科学家们从贻贝能安稳地附着在海边礁石这一现象入手,正致力研发能在水下使用的强力胶水。

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(贻贝的超强附着能力启发能在水下使用的强力胶水)

自然界中的粘附高手并非只有贻贝中国化工网okmart.com。在微米这个尺度,一些细菌也如贻贝一样,能够附着在潮湿的表面繁殖。

加拿大蒙特利尔大学微生物学家Yves Brun教授团队10年前发现,柄杆菌目(Caulobacterale)中有一种叫做新月柄杆菌(Caulobacter crescentus)的细菌。这种细菌生活在淡水中,通过自身的固着器(holdfast)上的粘性物质,能使自身固定在固体表面或同其他新月柄杆菌相互锁定。

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(正在分裂的两个新月柄杆菌通过左端固着器固锁在一起。图源:加拿大蒙    特利尔大学)

新月柄杆菌固着器产生的吸附力最大可达70 N/mm2(小编默默换算了一下,也就是说1平方厘米就有7000N,7000牛顿=713.8012千克力,这也太强了。一辆普通的小轿车大概1400kg到1500kg,也就是说两个平方厘米的搭接面积,可以拉动一辆小汽车),据了解这是自然界中已知的最强力“胶水”。

【有个弱点,怕盐!】

然而,这种强力“胶水”惧怕盐。只要环境中含有10 mM NaCl,其吸附力便会减小一半。

这是因为“胶水”是靠正负电荷吸引产生吸附力。如果周围存在阴、阳离子,它们会屏蔽正负电荷,减弱电荷间的吸引。

也就是说,这种“胶水”在海水中(含600 mM NaCl)几乎不能起作用,其应用范围被极大限制。

【粘合剂新突破:这项工作让自然界最强力“胶水”无惧海水】

面对如上挑战,细菌“胶水”的发现团队没有坐视。加拿大蒙特利尔大学Brun教授课题组近日取得突破。他们发现通过改变细菌的基因,使新月柄杆菌的多糖脱乙酰酶(polysaccharide deacetylase)活性增高,能提升其“胶水”在盐水中的附着力。相关研究成果发表在iScience上。

【来自海洋的亲戚】

由于人们对这种细菌 “胶水”的化学成分还知之甚少,因而从产物方向来解决挑战很困难。

柄杆菌目这个大家庭中是否还有其他能产生“胶水”的成员,并且生活在咸水中?

Brun团队还真找到了一种名为波罗地海海氏菌(Hirschia baltica)的细菌。为行文方便,以下我们将前面提及的、生活在淡水中的新月柄杆菌称为“淡水种”,将这里的波罗地海海氏菌称为“海水种”。

海水种的生活习惯虽然略不同于淡水种,但二者都有固着器,能附着在固体表面。

【多糖脱乙酰酶】

作者们从海水种入手。

他们发现,如果将海水种细菌中合成多糖脱乙酰酶的基因“静默”,则海水种“胶水”附着力在盐溶液里会显著下降。

具体地,作者们通过基因改造,在海水种细菌的多糖脱乙酰酶基因旁引入了一块“活性开关”。

这个“开关”需要在Cu2+的存在下才能被激活,且Cu2+浓度越高则激活越强,相应地,多糖脱乙酰酶产生得越多。

实验结果表明,当不含Cu2+时,即多糖脱乙酰酶基因“静默”,海水种的“胶水”附着力只有正常状态下的四分之一。

而随着Cu2+浓度从50 μM提升到250 μM,“胶水”的附着力逐步恢复到正常水平。

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(海水种基因改造效果。“胶水”高附着力能维持在近500 mM NaCl的盐浓度。图源:iScience)

多糖脱乙酰酶的重要性还可以从淡水种的改造体现出来。

依旧是通过基因改造,作者们增强了淡水种细菌的多糖脱乙酰酶基因表达。结果显示,改造后的淡水种“胶水”吸附力在不同盐度条件下都提升了~20%。


因此,作者们总结出细菌中多糖脱乙酰酶是强力“胶水”能在海水中应用的关键!一图总结如下:


但具体原理尚不清楚。作者们推测,多糖脱乙酰酶可将构成“胶水”的多糖分子中乙酰基还原为氨基。氨基质子化(带正电)倾向比乙酰基高,更容易与基底产生正负电荷吸引力。

需要注意的是,基因改造的淡水种 “胶水”虽然在高盐度下附着力有所提升,但还未完全达到正常海水种的效果。这说明除了多糖脱乙酰酶这一因素外,还有其他原因制约了“胶水”附着力的进一步提升,有赖于研究者更深入地发掘。

【绿色“胶水”】

通讯作者Brun表示,研究涉及的两种细菌对人体均无致病风险,且能大量培养,因而“胶水”生产过程对环境压力极小。而制备传统胶水的材料为石油制品,制备过程中会产生有毒物质。

此外,这项工作能够通过调控细菌基因制备具有不同附着力的“胶水”,为今后生产用于不同工况(如海运、给排水管、手术粘合等)的特种粘合剂提供借鉴与参考。


标签:化工应用技术中心胶粘剂今日头条精细化学品
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