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
Контрабандисты оккупировали Восточную Африку: зачем черных муравьев тайно вывозят в Китай и Европу?
Эксперты предупреждают: такой вывоз в итоге закончится непоправимой экологической катастрофой...
В мире заканчивается речной песок: чем это грозит человечеству?
Ученые говорят, что это самая не замечаемая, а оттого опасная проблема, которая уже касается миллионов людей...
К 2060 году половина плотин в мире выйдет из строя: США — главные в черном списке
Эксперты говорят: если не принять меры, часть Соединенных Штатов может полностью опустеть...
В России снова захотели строить железную дорогу в Индию: почему не удались прошлые попытки?
Эксперты говорят: дерзкий проект мог бы принести российской казне миллиардные прибыли...
За рамками науки: дети, которые помнят свои прошлые жизни
Ученые говорят, что феномена реинкарнации нет, но факты утверждают обратное...
Кольца на деревьях раскрыли тайну гибели последней империи кочевников в Евразии
Поразительно, но падение Джунгарского ханства началось за тысячи километров от Азии, в Северной Атлантике...
Самый наглый археологический фейк в истории: итальянец 20 лет показывал туристам фальшивый амфитеатр Цезаря
Судебный процесс длилось почти десятилетие, но даже сейчас эта история очень далека от завершения...
Тайна огней Марфы, 150 лет не дававшая покоя ученым, похоже, разгадана
Болотный газ? Огни святого Эльма? НЛО? Ответ оказался намного проще и сложнее одновременно...
«Сувенир» от неандертальцев: секреты этих мутаций не разгаданы до конца
Они живут в ДНК 47 000 лет, но почему их совсем нет у африканцев, зато много у жителей Южной Азии...
Авокадо ежедневно меняет пол, и исследователи, наконец, выяснили, как именно
Почему селекционеры и ботаники ждали этого открытия более 100 лет?...
Немецкий ученый был главным в секретной ракетной программе: однажды он вышел из кабинета и исчез навсегда
Как операция «Дамоклов меч» пресекла главную военную операцию целого государства...
Этим книгам осталось жить считаные дни: кто охотится на очень редкие экземпляры, а затем уничтожает их?
Эксперты бьют тревогу: это, пожалуй, самый циничный поворот в истории книгопечатания...