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
Поделили Москву на «зоны влияния»: генетики рассказали, как живут крысиные «народы» столицы
Почему московские грызуны оказались «неуязвимыми мутантами» и зачем им реки для жизни?...
3700-летний вирус, спрятанный в средневековых книгах, только что убил 500 тысяч животных
Сколько еще патогенов дремлет в библиотечных хранилищах Европы и России, точно не скажет ни один ученый...
Куда делась атомная бомба Гитлера? Физики увидели то, что упустили историки
Ученые подчеркивают: многие из громких мифов 1940-е годов, скорее всего, не выдержат проверки реальными фактами...
Самая известная мумия Южной Америки снова «заговорила»: последние ее месяцы были очень мрачными
Археологи говорят: именно на этой жестокой практике держалась вся империя инков...
Супервспышка-1947: тогда Земля избежала триллиона бомб. Но успокоилось ли Солнце?
Астрофизики говорят, что нам очень повезло со звездой. Но шансы на глобальную катастрофу все-таки есть...
Карта 1587 года и Ноев ковчег: почему место совпало с раскопками на Арарате?
Длина «судна», кстати, тоже совпала, и это не может не настораживать...
«Выстрел» прямо в Землю: астрономы обнаружили черную дыру, выбрасывающую струю в сторону нашей планеты
Ученые рассказали, как это поможет разгадать важную космическую тайну...
Не хуже Тутанхамона: почему сокровища забытых цариц из Ассирии поразили ученых?
Особенно загадочной оказалось гробница II, причем ее тайна до конца не раскрыта и по сей день...
Черная смерть — двигатель прогресса: как эпидемия чумы в корне поменяла ход истории в Европе
Неожиданно: книгопечатание, отмена крепостного права, раскол западного христианства — это лишь немногие последствия пандемии...
Что будет с Азовским морем? Российские ученые просчитали четыре варианта развития событий
Исследователи объяснили, почему при любом раскладе море не будет прежним. Но каким тогда?...
Тихий океан стал вести странно: молодая вода быстро стареет, а старая, наоборот, молодеет. В чем причина?
Особенно страдает северная часть океана. Но и есть хорошая новость...
В морском льду Антарктиды протаяла дыра площадью с Португалию. Теперь ученые знают, почему
Эксперты говорят: сбой ледового ритма опасен для Мирового океана и планеты в целом...
Таинственные пещерные иероглифы в Мексике раскрывают давно потерянную письменность
Оказалось, что разгадки лучше всего искать не в городах, а на склонах гор в глуши...
Земля... это космическая марионетка: оказалось, что Солнце и Луна могут трясти планету сутками
Сейсмологи рассказали, что наблюдения за космическими приливами, поможет предсказывать мегаземлетрясения, цунами и даже извержения вулканов...
Кита лечили тем, от чего обычно умирают: этот эксперимент изменил медицину
Одиннадцатилетняя белуха угасала от неизлечимой болезни, и тогда ученые пошли на рискованные опыты...
40 000-летний подводный город нашли в Турции: почему официальная наука против такой даты?
Интересно, что древний объект находится недалеко от горы Арарат, где прямо сейчас ищут легендарный Ноев ковчег...