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
Кто убивает итальянских волков: зоологи были потрясены кадрами с автоматической камеры
Трагический эпизод показал, что некоторые зоологические теории придется кардинально пересмотреть. У серых хищников есть неожиданные враги...
Очередной миф Николая Карамзина полностью развеян российскими археологами
Оказалось, что Иван Грозный не убивал супругу своего младшего брата. Напротив, с княгиней Ульянией Углицкой случалась куда более таинственная и запутанная...
Самая запрещенная русская сказка: почему «Курочку Рябу» не любили ни цари, ни руководители СССР?
Чтобы эту историю можно было рассказывать советским детям, ее сюжет пришлось изменить самым радикальным образом. Но, может быть, это и к лучшему...
Американский «Чернобыль-80»: эта катастрофа едва не изменила всю историю США
Эксперты говорят: лишь счастливая случайность не позволила взорваться заряду в 600 (!) раз мощнее хиросимской бомбы...
80 лет без Звезды Героя: почему офицер, поставивший Знамя Победы, не получил заслуженную награду при жизни?
Только указ Президента России смог исправить одну из самых вопиющих несправедливостей в советской истории...
Гениальное ДНК-«мошенничество»: ученые раскрыли секрет рыбы, которая плевать хотела на главные законы биологии
100 000 лет успешного клонирования: амазонская моллинезия просто... копирует себя. И при этом удивительно успешно ремонтируют поврежденные гены, насмехаясь над...
Почему на Иран обрушился черный дождь и насколько он опасен?
Экологи говорят: агрессивные действия США и Израиля поставили под угрозу здоровье миллионов людей по всей планете...
Каменный топор со дна реки может переписать древнейшую историю Сибири
По словам ученых, получился отличный научный детектив: добыча золота, артефакт бронзового века, забытая цивилизация...
Японец 26 лет ждал, пока раскроют убийство его жены. Часть 2. Расплата
Как наука отменила срок давности у преступления? И какая тайна осталась не раскрытой?...
Японец 26 лет ждал, пока раскроют убийство его жены
Как новейшие технологии помогли сдвинуть с места нераскрываемое дело...
Главный секрет человеческого дыхания: ученые рассказали, почему мы дышим «вахтовым методом»
Эксперты предупреждают: из-за особенности организма многие люди не смогут попасть в космос. Но решение все-таки есть...
43 000 черепков открыли тысячелетние тайны Древнего Египта
Почему глиняная библиотека Атрибиса потрясла весь археологический мир?...