Mechanoresponsive lipid-protein nanoglobules facilitate reversible fibre formation in velvet worm slime

Abstract

Velvet worms eject a fluid capture slime that can be mechanically drawn into stiff biopolymeric fibres. Remarkably, these fibres can be dissolved by extended exposure to water, and new regenerated fibres can be drawn from the dissolved fibre solution—indicating a fully recyclable process. Here, we perform a multiscale structural and compositional investigation of this reversible fabrication process with the velvet worm Euperipatoides rowelli, revealing that biopolymeric fibre assembly is facilitated via mono-disperse lipid-protein nanoglobules. Shear forces cause nanoglobules to self-assemble into nano- and microfibrils, which can be drawn into macroscopic fibres with a protein-enriched core and lipid-rich coating. Fibre dissolution in water leads to re-formation of nanoglobules, suggesting that this dynamic supramolecular assembly of mechanoresponsive protein-building blocks is mediated by reversible non-covalent interactions. These findings offer important mechanistic insights into the role of mechanochemical processes in bio-fibre formation, providing potential avenues for sustainable material fabrication processes.

Hierarchically-structured metalloprotein composite coatings biofabricated from co-existing condensed liquid phases

“…mesoporous silica) [7][8][9] . Similarly, proteins also possess an inherent capacity for supramolecular self-organization -determined by amino acid sequence -that has been harnessed through evolution for fabricating bulk materials/tissues with enhanced function, controlled through multiscale hierarchical structure [10][11][12][13][14][15] . Therefore, elucidating the physical and chemical underpinnings of biological material assembly provides a rich source of inspiration for designing bottom-up processes to fabricate hierarchically structured, functional soft materials.…”

Der „Sekundenkleber“ der Stummelfüßer

“…Das liegt, soweit bislang bekannt, an den einzigartigen Mikrostrukturen der Stummelfüßerhaut, welche ähnlich wie der Lotuseffekt funktionieren (Abbildung e). Viele mikroskopisch kleine Erhebungen auf den Schuppen der Hautpapillen verhindern die effektive Benetzung der Haut, so dass die Tiere den Schleim leicht abstreifen können (Abbildung f).Wenn auf den Schleim allerdings Druck ausgeübt oder daran gezogen wird, verwandelt sich der zuvor flüssige Kleber urplötzlich in robuste, aber dennoch elastische Fasern (Abbildung a, b) . Diese Fasern sind enorm belastbar.…”

“…Diese Fasern sind enorm belastbar. Der Elastizitätsmodul beschreibt eben diese Zugfestigkeit und liegt bei den getrockneten Fasern bei 4 GPa , ein bemerkenswert hoher Wert für eine biologische Faser, welcher mit dem von synthetischem Nylon ® vergleichbar ist. Lediglich die Spinnenseide, die zugfester als Stahl ist, erreicht einen doppelt so hohen Wert .…”

“…Im Gegensatz zur Spinnenseide lässt sich diese aus dem flüssigen Sekret der Stummelfüßer geformte Faser innerhalb weniger Stunden vollkommen in Wasser auflösen. Faszinierend hierbei ist, dass sich aus der Lösung dieser zergangenen Fasern nach Aufkonzentrierung erneut funktionsfähige Fasern ziehen lassen (Abbildung g) .…”

Mussel Byssus Structure‐Function and Fabrication as Inspiration for Biotechnological Production of Advanced Materials

“…Organisms such as silkworms, spiders, mussels and velvet worms fabricate high performance biopolymeric fibers from proteins outside their bodies, exhibiting mechanical properties rivaling those of the best man‐made polymers . For example, spider silk and mussel byssus possess a toughness comparable to Kevlar, an advanced polymer fiber utilized in ballistic panels .…”