Учёные начали прясть шёлк из искусственной паутинной «железы»
Специалистам из научно-исследовательского института RIKEN в Японии удалось создать устройство, которое воспроизводит паучий шёлк, максимально похожий на натуральный. Искусственная шёлковая железа воспроизводит сложную молекулярную структуру, имитируя различные химические и физические процессы, протекающие в соответствующем органе живого паука.
Исследование провели Кейджи Нумата с коллегами, а результаты опубликовали в журнале Nature Communications. Создатели назвали достижение экологичным и большим шагом на пути к устойчивому развитию, способным повлиять на ряд отраслей.
Натуральная паутина известна своей лёгкостью и прочностью на растяжение, сопоставимой со сталью того же диаметра. Кроме того, материал отличается биосовместимостью, то есть его можно использовать в медицине, а отходы подвержены биоразложению. Однако получение природной паутины в промышленных масштабах оказалось непрактичным по ряду причин, и учёным осталось искать способы получения заманчивого материала в лабораториях.
Паутинный шёлк — это биополимерное волокно из белков под названием спидроины. Внутри шёлковых волокон находятся молекулярные субструктуры, бета-листы (β-листы, β-складчатые слои), которые должны быть правильно выровнены, чтобы волокна приобрели свои выдающиеся свойства. Воссоздание столь сложного молекулярного строения годами ставило учёных перед, казалось бы, невыполнимой задачей. Тогда специалисты из RIKEN решили не изобретать процесс воссоздания паутиннного материала с нулевой точки. Они пошли путём биомимикрии или биомиметики, то есть попытались имитировать работу самой природы.
Как объяснил Нумата, они принялись копировать прядение паутины методом микрофлюидики, то есть подавая белковый раствор понемногу через узкие каналы и воздействуя на него. Ведь реальная паутинная железа членистоногого тоже работает как своеобразное микрофлюидное устройство.
Итоговая технология выглядит как прямоугольная коробочка с прорезанными в ней крошечными каналами. Раствор на основе спидроина движется от одного края к другому за счёт отрицательного давления.
Когда нити проходят через тончайшие каналы, то подвергаются заданным аккуратным изменениям на химическом и физическом уровнях благодаря конструкции системы. Так паутинные белки организуются в волокна со свойственной природному материалу сложной структурой.
Исследователи подбирали оптимальные условия опытным путём, и в результате сумели отрегулировать нужные взаимодействия в пределах микрофлюидной системы. Например, они поняли, что механическое проталкивание белков по канальцам не срабатывает. И тогда воспользовались упомянутым отрицательным давлением, чтобы вытягивать спидроин, собирая вещество в непрерывное волокна с наилучшим расположением бета-листов.
Соавтор исследования Али Малай признался, что испытал удивление перед тем, насколько надёжной и стабильной оказалась микрофлюидная система после тщательной отладки. Сборка волокон проходила сама по себе, спонтанно, и вместе с тем очень быстро. Что характерно, добавил Малай, волокна проявляли чёткую иерархическую структуру, которая присуща натуральному шёлковому волокну.
Возможность выпускать паутину разработанным методом обещает множество преимуществ. Одно из них — экологичность, в отличие от воздействия текстильных производств на окружающую среду. А биоразлагаемость и биосовместимость индустриального паутинного шёлка делают его идеальным материалом для медицины, с возможностью создавать хирургические швы и синтетические связки.
Нумата сказал, что своим исследованием они с коллегами как раз хотели бы добиться практической пользы. А чтобы сполна оценить свойства искусственной паутины, очень близкой к натуральной, осталось масштабировать технологию и сделать выпуск такого шёлка непрерывным.
Исследование провели Кейджи Нумата с коллегами, а результаты опубликовали в журнале Nature Communications. Создатели назвали достижение экологичным и большим шагом на пути к устойчивому развитию, способным повлиять на ряд отраслей.
Натуральная паутина известна своей лёгкостью и прочностью на растяжение, сопоставимой со сталью того же диаметра. Кроме того, материал отличается биосовместимостью, то есть его можно использовать в медицине, а отходы подвержены биоразложению. Однако получение природной паутины в промышленных масштабах оказалось непрактичным по ряду причин, и учёным осталось искать способы получения заманчивого материала в лабораториях.
Паутинный шёлк — это биополимерное волокно из белков под названием спидроины. Внутри шёлковых волокон находятся молекулярные субструктуры, бета-листы (β-листы, β-складчатые слои), которые должны быть правильно выровнены, чтобы волокна приобрели свои выдающиеся свойства. Воссоздание столь сложного молекулярного строения годами ставило учёных перед, казалось бы, невыполнимой задачей. Тогда специалисты из RIKEN решили не изобретать процесс воссоздания паутиннного материала с нулевой точки. Они пошли путём биомимикрии или биомиметики, то есть попытались имитировать работу самой природы.
Как объяснил Нумата, они принялись копировать прядение паутины методом микрофлюидики, то есть подавая белковый раствор понемногу через узкие каналы и воздействуя на него. Ведь реальная паутинная железа членистоногого тоже работает как своеобразное микрофлюидное устройство.
Итоговая технология выглядит как прямоугольная коробочка с прорезанными в ней крошечными каналами. Раствор на основе спидроина движется от одного края к другому за счёт отрицательного давления.
Когда нити проходят через тончайшие каналы, то подвергаются заданным аккуратным изменениям на химическом и физическом уровнях благодаря конструкции системы. Так паутинные белки организуются в волокна со свойственной природному материалу сложной структурой.
Исследователи подбирали оптимальные условия опытным путём, и в результате сумели отрегулировать нужные взаимодействия в пределах микрофлюидной системы. Например, они поняли, что механическое проталкивание белков по канальцам не срабатывает. И тогда воспользовались упомянутым отрицательным давлением, чтобы вытягивать спидроин, собирая вещество в непрерывное волокна с наилучшим расположением бета-листов.
Соавтор исследования Али Малай признался, что испытал удивление перед тем, насколько надёжной и стабильной оказалась микрофлюидная система после тщательной отладки. Сборка волокон проходила сама по себе, спонтанно, и вместе с тем очень быстро. Что характерно, добавил Малай, волокна проявляли чёткую иерархическую структуру, которая присуща натуральному шёлковому волокну.
Возможность выпускать паутину разработанным методом обещает множество преимуществ. Одно из них — экологичность, в отличие от воздействия текстильных производств на окружающую среду. А биоразлагаемость и биосовместимость индустриального паутинного шёлка делают его идеальным материалом для медицины, с возможностью создавать хирургические швы и синтетические связки.
Нумата сказал, что своим исследованием они с коллегами как раз хотели бы добиться практической пользы. А чтобы сполна оценить свойства искусственной паутины, очень близкой к натуральной, осталось масштабировать технологию и сделать выпуск такого шёлка непрерывным.
- Дмитрий Ладыгин
- phys.org
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
Призрак, затопивший «Титаник», появился у берегов Англии
Ученые рассказали, как редкая оптическая иллюзия могла пустить ко дну самый защищенный лайнер в истории...
Туннель Путина — Трампа с Чукотки на Аляску: что нам ждать после подписания соглашения?
На самом деле, этот проект справил 135-летний юбилей. Неужели человечество наконец-то доросло до тоннеля между Евразией и Америкой?...
Обломок взорвавшейся планеты размером с Луну нашли в самом сердце Сахары
Откуда он там взялся и что вообще творилось на заре существования Солнечной системы?...
Третье пророчество китайского Нострадамуса: почему Иран победит США
Два предсказания уже сбылось, когда ждать исполнения третьего прогноза...
7000-летняя загадка: полный ров обезглавленных скелетов обнаружен в Словакии
Археологи в растерянности: совершенно непонятно, кто и зачем изъял черепа у 77 человек...
Взрыв «лунной» ракеты остановил США: Китай выходит вперед?
Эксперты говорят: катастрофа отбросила американскую лунную программу на несколько лет назад...
Тайны «северной столицы»: чем поразил археологов главный город гуннов?
Этот мегаполис вообще не должен был существовать, так как нарушает все правила...
Жизнью мы обязаны Юпитеру: почему эта планета отметилась в ДНК каждого из нас?
Американские ученые полностью переписали одну из главных страниц в истории Земли...
Российские дроны заглянули под землю: какие тайны раскрыл древнеримский город Парион?
Ученые копают здесь уже 20 лет, но прорыв случился, когда россияне применили новейшие технологии...
Тайна аномальных снегопадов в Антарктиде раскрыта: виноваты невидимые «реки»
Ученым придется пересмотреть все климатические модели Шестого континента. Кстати, снега там будет выпадать с каждым годом все больше...
МКС снова переехала: почему в этом «виноваты» русские?
Без российских кораблей международная станция давно бы упала и сгорела...
Боевые комары Пентагона: детали секретного проекта наконец-то раскрыты
Почему эксперты признают: у этих экспериментов был большой потенциал?...