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湿度によって駆動されるねじりアクチュエータとしてのクモドラグリンシルク
Spider dragline silk as torsional actuator driven by humidity.
PMID: 30838327 PMCID: PMC6397028. DOI: 10.1126/sciadv.aau9183.
抄録
周囲の湿度によって駆動されるセルフパワーアクチュエータは、吸湿性のある人工筋肉のようなアプリケーションに実用的な興味を持っています。本研究では、クモドラグリンシルクが湿度によって300°/mm以上のねじれ変形を起こすことを実証しました。相対湿度が約70%の閾値に達すると、クモの種類に依存しない大きなねじれ変形が発生することを明らかにした。相対湿度を調整することにより、ねじり動作を正確に制御することができる。湿度によって誘発されるねじれの挙動は、クモドラグリンシルクの超収縮挙動と関連している。具体的には、ドラッグラインシルクのMaSp1とMaSp2タンパク質の分子シミュレーションを行ったところ、独特のねじれ特性はMaSp2にプロリンが存在することに由来していることが明らかになった。また、大きなプロリン環は、分子内の立体排除と水素結合の崩壊にも寄与しています。ドラッグラインシルクのこの特性とその構造的起源は、ねじりアクチュエータや人工筋肉の新しいデザインをひらめき、デザイナーバイオマテリアルの開発を可能にする可能性があります。
Self-powered actuation driven by ambient humidity is of practical interest for applications such as hygroscopic artificial muscles. We demonstrate that spider dragline silk exhibits a humidity-induced torsional deformation of more than 300°/mm. When the relative humidity reaches a threshold of about 70%, the dragline silk starts to generate a large twist deformation independent of spider species. The torsional actuation can be precisely controlled by regulating the relative humidity. The behavior of humidity-induced twist is related to the supercontraction behavior of spider dragline silk. Specifically, molecular simulations of MaSp1 and MaSp2 proteins in dragline silk reveal that the unique torsional property originates from the presence of proline in MaSp2. The large proline rings also contribute to steric exclusion and disruption of hydrogen bonding in the molecule. This property of dragline silk and its structural origin can inspire novel design of torsional actuators or artificial muscles and enable the development of designer biomaterials.