Содержание
Искусственная паутина догнала настоящую по механическим свойствам
Американские биохимики получили в лабораторных условиях нити, состоящие из рекордно длинных молекул спидроина — белка, из которого пауки плетут паутину. Использовав рекомбинантные ДНК и метод сплайсинга белков, ученые получили полипептид с молекулярной массой более 500 килодальтон — это почти в два раза больше, чем у аналогичных молекул, которые синтезируются в природных условиях. Из этих белков ученые получили нити, по своим механическим свойствам — прочности на разрыв, растяжимости и жесткости — не уступающие паутине, пишут ученые в Biomacromolecules.
Паутина — один из самых прочных естественных материалов: прочность ее нитей на разрыв может достигать 1,3 гигапаскаля (для сравнения, прочность некоторых марок стали не превышает нескольких сотен мегапаскалей). Основной материал паутины — это два вида белков: более прочный спидроин I и более упругий спидроин II. Воспроизвести получение нитей из этих белков в искусственных условиях практически невозможно: разводить пауков, в отличие от шелковичных червей, очень тяжело, а получение подобного материала в лабораторных условиях пока не позволяет добиться нужных механических характеристик.
Состав спидроина известен: белок состоит из большого количества фрагментов двух типов — участков, содержащих только аланин, и участков, преимущественно состоящих из глицина, но включающих в свой состав и другие аминокислоты. Однако при получении этих молекул в лаборатории они оказывались слишком короткими, поэтому по своим механическим свойствам были далеки от природного спидроина.
Чтобы увеличить длину молекул спидроина, синтезируемого искусственно, американские биохимики под руководством Фучжуна Чжана (Fuzhong Zhang) из Вашингтонского университета в Сент-Луисе предложили использовать рекомбинантные молекулы ДНК. В этих молекулах искусственным образом созданы повторяющиеся последовательности нуклеотидов, отвечающие за синтез правильных участков белка, и при трансляции синтезируется рекомбинантный белок увеличенной длины. Благодаря этому подходу уже удавалось синтезировать рекомбинантный спидроин, однако максимальная масса полученных таким молекул не превышала 285 килодальтон (для сравнения, молекулярная масса естественного спидроина составляет около 310 килодальтон).
Для увеличения молекулярной массы синтезированного белка ученые немного модифицировали эту методику: уже после трансляции рекомбинантного белка, его молекулярную массу увеличивали с помощью техники сплайсинга. При таком подходе из молекулы вырезается внутренний фрагмент — интеин, — а на место разрезов место присоединяются концевые белковые последовательности. Интеины могут соединяться между собой, поэтому, если одну молекулу белка «обрезать» с N-конца, а другую — с C-конца, а потом соединить их между собой, то молекулярную массу белка можно фактически увеличить вдвое.
С помощью предложенного подхода ученые синтезировали спидроин на основе ДНК, выделенного из пауков вида Nephila clavipes, массу которого удалось увеличить сразу до 556 килодальтон — в таком белке содержится 192 повторяющихся участка спидроина. Из этих белковых цепочек ученые получили нити диаметром в несколько микрометров, которые по своим механическим свойствам не уступили естественным волокнам в паутине.
Прочность нитей на разрыв составила 1,03 гигапаскаля, модуль упругости — 13,7 гигапаскаля, растяжимость — 18 процентов, а жесткость — 114 мегаджоулей на кубический метр. Кроме того, механические свойства полученных материалов оказались напрямую связаны с молекулярной массой белка — чем больше аминокислот включает в свой состав молекула, тем прочнее будет нить, состоящая из этих белков. Раньше эту закономерность удавалось показать только для относительно коротких белков.
По словам авторов исследования, полученные волокна уже сейчас можно использовать в приложениях, требующих использования особо прочных нитей микрометровой толщины. Кроме того, в будущем с помощью аналогичного подхода можно довольно просто получать в лабораторных условиях и другие типы природных материалов.
Стоит отметить, что для получения аналогичных сверхпрочных нитей не всегда используют только белки паутины и шелка. Например, недавно шведские химики синтезировали искусственный аналог нити паутины, который лишь на десять процентов состоит из паучьего белка, а оставшиеся 90 процентов составляют целлюлозные нановолокна, полученные из древесины.
Фиброин — белок, входящий в состав шелка — используют и для получения других типов композиционных материалов. Так, объединив его с силиконом, американские материаловеды создали материал, способный менять свои магнитные свойства при нагревании светом.
Александр Дубов
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
«искусственная паутина», «любовь» на Курилах и новые соединения для будущих лекарств
Биология, химия и медицина были и остаются самыми важными областями науки. Благодаря передовым исследованиям мы узнаем много нового об окружающем нас мире. Врачи получают возможность эффективнее лечить пациентов, для которых лекарства становятся более безопасными. Химики создают новые материалы, не боящиеся коррозии, и соединения для нефтеперерабатывающей промышленности. За последний год мы публиковали множество новостей о достижениях российских ученых. Выбрать три события было довольно трудно. Поэтому в нашем традиционном материале об итогах года мы рассказываем сразу о десяти научных событиях из области биологии, химии и медицины, которые мы запомнили в 2022 г.
Эффективный антибиотик из крови человека
Использование антибиотиков (только по назначению врача, разумеется) позволяет быстро и эффективно бороться с инфекциями и помогает пациентам восстанавливаться после операций. Однако их бесконтрольное и повсеместное применение, а порой и назначение приводят к повышению уровня устойчивости к ним бактерий. Проще говоря, антибиотики не действуют на вредные микроорганизмы, оказывая при этом негативное воздействие на здоровье человека.
Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета получили белково-пептидную субстанцию с повышенным антибактериальным и противовирусным эффектом. Ее впервые синтезировали из лейкоцитов человека по уникальной технологии.
Промежуточный продукт лейкоцитарного белково-пептидного комплекса
Источник: пресс-служба Пермского политеха
По мере появления новых классов антибиотиков развиваются и механизмы сопротивления микроорганизмов.
Разработчики субстанции нацелены решить эту проблему с помощью антимикробных пептидов, которые содержатся в нейтрофилах человека и животных и относятся к системе врожденного иммунитета, защищающей нас от инфекций. Будущий антибиотик уже прошел доклинические исследования, а значит, уже в ближайшие годы следует ожидать появления новых препаратов широкого спектра действия, не вызывающих устойчивости у бактерий.
«Искусственная паутина» для заживления ран
Ученые Курчатовского института совместно с исследователями из МГУ им. М.В. Ломоносова, НМИЦ трансплантологии и искусственных органов им. академика В.И. Шумакова, ИМБ РАН, ФНКЦ ФМБА разработали материал для заживления ран из «искусственной паутины».
Интересно, что над ее созданием трудятся не пауки, а модифицированные с помощью генной инженерии дрожжевые грибы. Ученые пересадили дрожжам синтезированные и отредактированные гены, отвечающие за выработку аналогов белков, которые пауки используют для создания каркасной нити ― самой прочной составляющей паутины.
Паутина
Источник: 123RF
Как заявлено в исследовании, «искусственная паутина» восстанавливает ткани за счет стимуляции работы стволовых клеток, которые ускоряют выздоровление, а также предотвращает появление шрама.
Прозрачный и сверхпрочный материал для российской космонавтики
Уникальный материал разработали химики из Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского. Прозрачность в инфракрасном диапазоне и высокая прочность композита оксидов магния и иттрия (MgO-Y2O3) открывают новые возможности для производства авиационных и космических аппаратов, работающих при интенсивных тепловых и механических нагрузках.
Испытания материала
Источник: ННГУ им. Н.И. Лобачевского
По словам автора исследования Дмитрия Алексеевича Пермина, для создания прозрачной в ИК-спектре композитной керамики ученые впервые использовали метод микроволнового спекания.
Технология обеспечивает ультрабыстрый нагрев со скоростью более 100º в минуту, а отсутствие нагревательных элементов позволяет получать чистые материалы и варьировать атмосферу спекания.
Один цветок ― множество препаратов
Российские ученые совместно с китайским коллегой исследовали биологически активные вещества весенника длинноножкового, малоизученного растения из Центральной Азии. В его листьях обнаружены кумарины и фурохромоны — соединения, обладающие антиоксидантным, противоопухолевым и другими полезными действиями, которые в будущем могут стать основой разнонаправленных препаратов.
Ученые впервые изучили состав активных веществ, выделенных из листьев весенника длинноножкового, собранного в Киргизии. Этот представитель семейства лютиковых произрастает на ограниченной территории в Центральной Азии и, как и другие растения рода Eranthis, до сих пор был мало исследован.
Весенник длинноножковый (Eranthis longistipitata)
Источник: Андрей Эрст
Из листьев весенника длинноножкового специалисты выделили более 160 соединений.
Среди выделенных биологически активных веществ исследователи обнаружили 19 различных флавоноидов. Соединения этого класса используются для профилактики сердечно-сосудистых заболеваний и лежат в основе препаратов против венозной недостаточности.
Химический магнит для будущих наномоторов
Ученые Физического института им. П.Н. Лебедева РАН создали новый тип магнитного материала — химический магнит, чьи магнитные свойства меняются, если в нем протекает окислительно-восстановительная реакция. Это поможет создать новые нано- и микромоторы для прикладных задач, например для целевой доставки лекарств с помощью нанороботов.
Как отметили участники исследования, эксперименты с биметаллической пластиной, плавающей на поверхности электролита, показали, что если в такой системе протекает химическая реакция, то такой «пловец» работает как магнит.
Испытания магнита
Источник: Отдел по связям с общественностью ФИАН
В последние годы ученые активно исследуют методы разработки нано- и микророботов, которые в будущем смогут перемещаться в жидкостях, в частности внутри клеток и в кровеносных сосудах.
Такие роботы могут иметь различную форму и приводиться в движение как внешними источниками энергии, так и используя топливо, добываемое из окружающей среды.
Как оказалось, магнитные свойства химического магнита, созданного в ФИАН, можно регулировать за счет изменения концентрации сульфата меди в растворе и вариаций температуры. Влияние обоих факторов обусловлено их воздействием на скорость протекания химических реакций, от которой, в свою очередь, зависит ток, протекающий через плавающего робота.
В перспективе, полагают ученые, такие химические магниты можно будет использовать для производства микро- и наномоторов, которые могут под действием магнитного поля перемещаться по кровеносным сосудам и доставлять лекарство в нужное место, а также решать другие прикладные задачи.
Найдены соединения, которые могут защитить нейроны от гибели при болезни Паркинсона
Ученые из Института биофизики клетки РАН ФИЦ «Пущинский научный центр биологических исследований РАН» показали эффективность природных метаболитов ― лактата и пирувата ― для коррекции патологических изменений митохондрий на клеточной модели болезни Паркинсона.
Болезнь Паркинсона входит в десятку тяжелых социально значимых заболеваний, борьба с которыми направлена на улучшение качества и продолжительности жизни в пожилом возрасте. Несмотря на то что первые свидетельства о клинических проявлениях болезни относятся к XII в. до н.э. и описаны у египетских фараонов, ее патогенез и молекулярные механизмы, приводящие к развитию неврологических нарушений, до сих пор мало изучены.
Ученым удалось показать, что процесс гибели нейронов может быть обусловлен нарушением митофагии — механизма, обеспечивающего очистку клетки от поврежденных митохондрий, источников активных форм кислорода и токсичных метаболитов. Отталкиваясь от своих ранее полученных результатов, исследователи протестировали соединения, которые снижают уровень повреждений клеток, активируя митофагию. Такими веществами оказались наши естественные метаболиты, образующиеся в клетках при энергетическом обмене, ― лактат (молочная кислота) и пируват (пировиноградная кислота).
Младший научный сотрудник лаборатории внутриклеточной сигнализации ИБК РАН Евгения Игоревна Федотова проводит анализ прижизненного изображения клеточной культуры
Источник: пресс-служба Минобрнауки
Конечно, говорить о клиническом применении полученных результатов еще рано.
Сейчас ученые работают над проблемой обеспечения адресности воздействия на поврежденные нейроны без влияния на метаболизм здоровых клеток.
Пивоваренные дрожжи против тяжелых металлов
Ученые лаборатории нейтронной физики Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне выяснили, что обычные пивоваренные дрожжи способны выступать как эффективный сорбент для очищения сточных вод от опасных загрязнений тяжелыми металлами. Исследование показало, что такой способ очистки также экономически выгоден и экологически безопасен.
Тяжелые металлы остаются одними из наиболее опасных загрязнителей окружающей среды из-за высокой токсичности и способности накапливаться в пищевой цепи. Основной путь попадания тяжелых металлов в окружающую среду ― сбросы неочищенных или плохо очищенных промышленных стоков в природные воды. Попадая в окружающую среду, промышленные стоки оказывают мощное техногенное воздействие на водные и почвенные экосистемы, вызывая нарушения естественного развития биогеоценозов.
Сотрудники сектора нейтронного активационного анализа и прикладных исследований ЛНФ ОИЯИ накопили значительный опыт в проведении исследований в области экологической химии. Было осуществлено тестирование различных биологических и композитных сорбентов, а именно дрожжей, бактерий, цианобактерий, для очистки сточных вод от тяжелых металлов, в числе которых цинк, никель, хром, стронций и др.
Схема эксперимента
Источник: пресс-служба ОИЯИ
По результатам проведенных исследований одним из самых эффективных сорбентов были признаны дрожжевые клетки Saccharomyces cerevisiae (пивоваренные дрожжи). Эти микроорганизмы используют в производстве многочисленных продуктов питания и напитков, поэтому они доступны в больших количествах и по низкой цене как отходы процессов ферментации. Одно из преимуществ состоит также и в том, что пивоваренные дрожжи безопасны для человека. Они также обладают высокой накопительной способностью по отношению к ионам металлов.
Новая технология для быстрой и эффективной диагностики онкомаркеров
Коллектив биофизиков из МФТИ и Сколтеха с коллегами разработал новую технологию выделения внеклеточных везикул из биологических жидкостей. Исследование везикул необходимо для диагностики и лечения разных заболеваний, в том числе онкологических. Предлагаемая технология превосходит известные сегодня методы по чистоте и количеству выделяемых частиц. Она проста, быстра и недорога, для ее реализации требуется только стандартное лабораторное оборудование.
Клетки нашего тела «общаются» друг с другом через кровяное русло, в которое они выделяют определенные сигнальные молекулы. Чтобы эти молекулы дошли до адресата, они заключаются в специальные внеклеточные везикулы, маленькие наноразмерные пузырьки. Проще говоря, везикулы выполняют роль системы доставки. Наполнение везикул от здоровых и больных клеток различно, на этом и основана диагностика. Везикулы, секретируемые нездоровыми клетками, содержат целый ряд различных биологических молекул — биомаркеров заболевания.
Помимо диагностики, их изучение позволяет также проводить мониторинг лечения, анализируя динамику изменения количества везикул, содержащих выбранные маркеры.
Везикулы
Источник: пресс-служба МФТИ
Однако ученые столкнулись с проблемой, связанной с очень малым размером везикул. К тому же в биологических жидкостях содержится огромное количество различных молекул. Коллектив исследователей разработал фильтрационное устройство, специальный состав мембраны, конструкцию мембраны и последовательность процедуры. Технология позволила выделять везикулы просто, эффективно и с высокой чистотой, что очень важно для диагностики, а также для исследований, направленных на изучение внеклеточных везикул. Устройство делается полностью из российских комплектующих, стоимость его минимальна. Все научные и медицинские исследования, посвященные изучению внеклеточных везикул, очень нуждаются в такого рода простых, быстрых и эффективных методах.
Новое соединение поможет в восстановлении даже спустя сутки после инсульта
Российские ученые определили, что снизить воспаление в мозге при ишемическом инсульте помогают некоторые производные N-гетероциклов — колец из атомов углерода и азота с дополнительно «навешенными» на них химическими группами. Эксперименты на крысах показали, что такие соединения способствуют разрешению патологического воспаления и позволяют животным быстрее восстановиться, причем даже если лечение началось лишь спустя сутки. Результаты дают надежду, что предложенные вещества помогут и людям после инсульта, особенно когда упущены критические «золотые часы» для оказания первой помощи.
Согласно данным Всемирной организации здравоохранения, ишемический инсульт, который также называют инфарктом мозга, — одна из наиболее частых причин смертей и инвалидности. Заболевание возникает из-за нарушений кровоснабжения мозга: формирования тромбов, расширений просветов артерий, повышенного артериального давления и, как следствие, недостаточного поступления кислорода к тканям.
В зависимости от того, какая часть мозга пострадала и насколько сильно, могут произойти нарушения памяти, подвижности и речи.
Исследователи изучили действие вещества на лабораторных крысах, перенесших ишемический инсульт. После введения лекарства через сутки после операции животные на терапии проявляли более высокую исследовательскую и двигательную активность в поведенческих тестах, чем те, которые не получали препарат.
Зоологи МГУ и ИБР РАН нашли «любовь» на Курилах
Cuthonella rgo
Источник: Зоологический музей МГУ
Сотрудники Зоологического музея МГУ и Института биологии развития РАН описали два новых вида голожаберных моллюсков — особой группы морских животных, не имеющих раковины. Один из них назвали в честь Русского географического общества, организовавшего экспедицию, а другой получил имя «любовь» по результатам конкурса среди посетителей Зоомузея. Результаты опубликованы в Canadian Journal of Zoology.
Данная работа поддержана Благотворительным фондом Владимира Потанина.
Моллюски широко распространены по всей планете: их можно встретить как в северных, так и в южных морях, как в горах, так и на морских глубинах в тысячи метров. Столь большое разнообразие мест обитания, многие из которых трудны для изучения и малодоступны, обусловило то, что зоологи открыли еще далеко не все их виды.
В ходе недавней экспедиции, организованной Русским географическим обществом, ученые обнаружили на островах Курильской гряды два новых для науки вида голожаберных моллюсков из родов Zelentia и Cuthonella, причем представители первого из них ранее встречались лишь в Северной Атлантике и на юго-востоке Тихого океана. Животные внешне напоминают слизней (они, кстати, относятся к брюхоногим моллюскам, но у них в ходе эволюции исчезли раковинки) молочного цвета с оранжевыми отростками на спине. Отнести их к новым видам позволили результаты современных генетических и морфологических исследований.
Один из новых видов назвали Cuthonella rgo (Кутонелла рго), чтобы подчеркнуть ключевую роль Русского географического общества (РГО) в научных исследованиях Курильских островов. Имя другого нового вида, Zelentia amoris (amoris — форма родительного падежа от лат. amor — «любовь»), было выбрано в ходе конкурса на новое название, который весной этого года провели сотрудники Зоомузея МГУ.
Это символ того, что любовь к людям, к природе и нашей планете — сила, способная спасать жизни.
Портал «Научная Россия» и дальше будет следить за успехами отечественных и зарубежных ученых и рассказывать вам о них в следующем году! С наступающим праздником!
Искусственная паутина получает ионный импульс – Physics World
Искусственная ионная паутина. Авторы и права: Lee et al., Sci. Робот. 5, eaaz5405 (2020)
Исследователи из Южной Кореи создали искусственный материал с такими же эластичными, адгезивными, самоочищающимися, чувствительными и растяжимыми свойствами, что и натуральный шелк паука.
Синтетическое полотно, изготовленное из полутвердого эластичного геля, работает с использованием электростатики и может найти применение в искусственных мышцах, захватах и самоочищающихся устройствах для лазания по стенам.
Прочность паучьего шелка на растяжение в пять раз выше, чем у стали, а его эластичные нити имеют клейкое покрытие, которое позволяет паукам ловить и улавливать добычу в своих сетях. Однако у этого клейкого покрытия есть и обратная сторона: оно притягивает загрязняющие вещества из окружающей среды, что снижает эффективность захвата полотна.
Чтобы решить эту проблему, пауки разработали несколько стратегий уменьшения и удаления грязи и мусора из своих сетей. Одна из таких стратегий состоит в том, чтобы создать минималистскую веб-структуру, а затем ждать, пока добыча не полетит или не заползет в нее. Пока его жертва борется с липкими нитями, паук чувствует вибрацию паутины, начинает действовать и оборачивает еще слабо связанную добычу дополнительными нитями.
Это ловит добычу раз и навсегда, без необходимости в паутине с большой площадью поверхности, к которой загрязняющие вещества могли бы легче прилипать. Другая стратегия заключается в том, что пауки тянут свою паутину, а затем быстро выпускают ее, заставляя загрязняющие вещества отскакивать, как катапульта, когда паутина вибрирует.
Имитация действий и ощущений пауков
Ученые давно увлечены биологией пауков, и многие пытались имитировать либо действия и ощущения пауков, либо структурные, самоочищающиеся свойства их шелка. Однако воспроизведение поведения паутины в лаборатории — непростая задача, и предыдущие попытки сделать это в основном были сосредоточены на воссоздании того, как паук плетет свою естественную паутину.
Команда под руководством Чжон-Юн Сун и Хо-Ён Ким из Сеульского национального университета выбрала другой подход. Их метод заключается в приложении статического электричества к нитевидным нитям ионопроводящего и растяжимого органогеля, представляющего собой полутвердый материал, состоящий из гелеобразующих молекул в органическом растворителе (в данном случае ковалентно сшитых полиакриламидных цепей в этиленгликоле с растворенными хлорид лития).
Затем нити этого органогеля инкапсулируют силиконовым каучуком и покрывают гидрофобным перфторированным соединением для уменьшения их поверхностной энергии (и, следовательно, поверхностного натяжения).
Исследователи, которые сообщают о своей работе в Science Robotics , сплели эти композитные волокна в структуры, напоминающие натуральную паутину. Они обнаружили, что могут приклеивать нити паутины к целевым объектам, сделанным из металлов, керамики и полимеров, благодаря статическому электрическому полю, возникающему между соседними нитями паутины при приложении высокого напряжения.
Вибрации помогают устранить загрязнители
Сан, Ким и их коллеги обнаружили, что эти целевые объекты генерируют электрический отклик в ионно-проводящих волокнах, как только волокно касается их, инициируя процесс электростатического прилипания. Они также обнаружили, что могут заставить волокна вибрировать, применяя электрическое поле между парами нитей. Эти вибрации в сочетании с гидрофобным покрытием волокон помогают устранить загрязнения, которые в противном случае уменьшили бы силу сцепления.
Действительно, после самоочищения искусственные сети восстановили почти 99% от их первоначальной адгезионной силы.
В соответствующей статье Джонатан Росситер, специалист по робототехнике из Бристольского университета, Великобритания, и глава группы Soft Robotics в Бристольской лаборатории робототехники, отмечает, что гибкие и растяжимые материалы с ионной проводимостью могут использоваться вместо обычных проводников. в будущем электроактивные искусственные мышцы. Росситер, не участвовавший в работе сеульской команды, предполагает, что такие конструкции могли бы пригодиться при разработке мягких роботизированных носимых вспомогательных устройств для пожилых людей или людей с ограниченными возможностями.
Подробнее
Паук катапультируется к добыче, используя энергию, хранящуюся в его паутине
Ведущий автор исследования Янгхун Ли соглашается, добавляя, что подход команды может также применяться к «существующим компонентам робототехники, основанным на электростатике, таким как электростатические захваты, приводы из диэлектрического эластомера и емкостные тактильные датчики».
Кроме того, способность материалов к самоочищению может быть использована в роботах, которые используют электроадгезию для лазания по стенам и в настоящее время ограничены чистыми, свободными от пыли поверхностями.
В качестве предложения для будущей работы Росситер отмечает, что было бы «чрезвычайно интересно продолжить аналогию с пауками, потенциально увидев, как пауки могут работать с ионными паутинами в их естественной среде, что даст новое понимание биологии». Со своей стороны, команда из Сеула стремится повысить надежность своих сетевых волокон, а также может попытаться адаптировать их, чтобы они могли обнаруживать и незаряженные объекты.
Новый искусственный шелк паука: прочнее стали и 98 процентов воды | Инновация
Шелк паука прочнее стали и прочнее кевлара, но сделать его в лаборатории ученым не удавалось десятилетиями.
Pixabay
Шелк скромного паука обладает весьма впечатляющими свойствами. Это один из самых прочных материалов в природе, прочнее стали и прочнее кевлара.
Его можно растянуть в несколько раз, прежде чем он порвется. По этим причинам воспроизведение паучьего шелка в лаборатории было навязчивой идеей среди материаловедов на протяжении десятилетий.
Теперь исследователи из Кембриджского университета создали новый материал, который имитирует прочность, эластичность и способность поглощать энергию паучьего шелка. Этот материал дает возможность улучшать продукты от велосипедных шлемов до парашютов, пуленепробиваемых курток и крыльев самолетов. Возможно, его самое впечатляющее свойство? Это 98 процентов воды.
«Пауки — интересные модели, потому что они способны производить эти превосходные шелковые волокна при комнатной температуре, используя воду в качестве растворителя», — говорит Даршил Шах, инженер Кембриджского центра инноваций в области натуральных материалов. «Этот процесс пауков развивался на протяжении сотен миллионов лет, но нам пока не удалось его скопировать».
Изготовленные в лаборатории волокна созданы из материала, называемого гидрогелем, который на 98 процентов состоит из воды и на 2 процента из кремнезема и целлюлозы, последние два соединены вместе кукурбитурилами, молекулами, которые служат «наручниками».
Волокна диоксида кремния и целлюлозы можно вытягивать из гидрогеля. Примерно через 30 секунд вода испаряется, оставляя только прочную, эластичную нить.
Волокна чрезвычайно прочные, хотя и не такие прочные, как самый прочный паутинный шелк, и, что важно, их можно изготовить при комнатной температуре без химических растворителей. Это означает, что, если их можно производить в больших масштабах, они имеют преимущество перед другими синтетическими волокнами, такими как нейлон, для прядения которых требуются чрезвычайно высокие температуры, что делает текстильное производство одной из самых грязных отраслей промышленности в мире. Искусственный шелк паука также полностью биоразлагаем. А поскольку он сделан из обычных, легкодоступных материалов — в основном из воды, диоксида кремния и целлюлозы — он может быть доступным по цене.
Поскольку материал может поглощать так много энергии, его потенциально можно использовать в качестве защитной ткани.
«Паукам нужна эта поглощающая способность, потому что, когда птица или муха попадает в их паутину, они должны иметь возможность поглощать ее, иначе она порвется», — говорит Шах.
«Так что такие вещи, как защита от осколков или другая защитная военная одежда, были бы захватывающим применением».
Другие потенциальные области применения включают парусную ткань, ткань для парашютов, материалы для воздушных шаров и велосипедные или скейтбордные шлемы. Этот материал является биосовместимым, что означает, что его можно использовать внутри человеческого тела, например, для наложения швов.
Волокна также могут быть модифицированы несколькими интересными способами, говорит Шах. Замена целлюлозы различными полимерами может превратить шелк в совершенно другой материал. Базовый метод можно воспроизвести для производства низкотемпературных версий многих тканей, не требующих использования химических растворителей.
«Это общий метод сделать все волокна, сделать любую форму [искусственного] волокна «зеленой», — говорит Шах.
Шах и его команда далеко не единственные ученые, работающие над созданием искусственного паучьего шелка. В отличие от шелковичных червей, которых можно выращивать ради их шелка, пауки — каннибалы, которые не потерпят тесноты, необходимой для ведения сельского хозяйства, поэтому обращение в лабораторию — единственный способ получить значительное количество материала.
Каждые несколько лет появляются заголовки о новых достижениях в этом процессе. Немецкая команда модифицировала бактерии E-coli для производства молекул паучьего шелка. Ученые из Университета штата Юта вывели генетически модифицированных «коз-пауков» для производства белков шелка в их молоке. Армия США тестирует «драконий шелк», полученный из модифицированных шелковичных червей, для использования в пуленепробиваемых жилетах. Ранее в этом году исследователи из Каролинского института в Швеции опубликовали статью о новом методе использования бактерий для производства белков шелка пауков потенциально устойчивым и масштабируемым способом. А этой весной калифорнийский стартап Bolt Threads представил биоинженерные галстуки из паутины на фестивале SXSW. Их продукт производится в процессе дрожжевого брожения, в результате которого получаются протеины шелка, которые затем проходят процесс экструзии, превращаясь в волокна. Это достаточно многообещающе, чтобы заключить партнерство с производителем товаров для активного отдыха Patagonia.