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.