Ученые создали шелк из искусственной паучьей железы
Исследователям удалось создать устройство, которое прядет искусственную паутину, которая очень похожа на ту, которую производят пауки естественным путем. Искусственная шелковая железа смогла воссоздать сложную молекулярную структуру шелка, имитируя различные химические и физические изменения, которые естественным образом происходят в шелковой железе паука.
Эта экологически чистая инновация является большим шагом вперед и может повлиять на несколько отраслей. Исследование, проведенное Кейджи Нуматой из Центра наук об устойчивых ресурсах RIKEN в Японии вместе с коллегами из кластера новаторских исследований RIKEN, было опубликовано в журнале Nature Communications.
Известный своей прочностью, гибкостью и малым весом, паучий шелк обладает пределом прочности при растяжении, сравнимым со сталью того же диаметра, и непревзойденным соотношением прочности к весу. Кроме того, он биосовместим, что означает, что его можно использовать в медицинских целях, а также он биоразлагаем. Так почему же он не используется повсеместно?
Оказалось, что крупномасштабный сбор шелка пауков непрактичен по нескольким причинам, поэтому ученые пытаются создать способ его производства в лаборатории.
Паучий шелк — это биополимерное волокно, состоящее из крупных белков с часто повторяющимися последовательностями, называемых спидроинами. Внутри шелковых волокон имеются молекулярные субструктуры, называемые бета-листами, которые необходимо правильно выровнять, чтобы шелковые волокна приобрели свои уникальные механические свойства. Воссоздание этой сложной молекулярной архитектуры уже много лет сбивает с толку ученых. Вместо того, чтобы пытаться разработать процесс с нуля, ученые RIKEN применили подход биомимикрии.
«В этом исследовании мы попытались имитировать естественное производство паучьего шелка с помощью микрофлюидики, которая включает в себя поток и манипулирование небольшими количествами жидкостей через узкие каналы. Можно сказать, что железа паука функционирует как своего рода естественное микрофлюидное устройство» — говорят исследователи.
Разработанное исследователями устройство выглядит как небольшая прямоугольная коробка с прорезанными в ней крошечными каналами. Раствор предшественника спидроина помещается на один конец, а затем вытягивается к другому концу с помощью отрицательного давления.
Когда спидроины проходят через микрофлюидные каналы, они подвергаются точным изменениям в химической и физической среде, что становится возможным благодаря конструкции микрофлюидной системы. При правильных условиях белки самоорганизуются в шелковые волокна с характерной сложной структурой.
Исследователи экспериментировали, чтобы найти эти правильные условия, и в конечном итоге смогли оптимизировать взаимодействие между различными областями микрофлюидной системы. Среди прочего, они обнаружили, что применение силы для проталкивания белков не работает; только когда они использовали отрицательное давление для вытягивания раствора спидроина, удалось собрать непрерывные шелковые волокна с правильным характерным расположением бета-листов.
«Было удивительно, насколько надежной оказалась микрофлюидная система после того, как были установлены и оптимизированы различные условия», — говорит старший научный сотрудник Али Малай, один из соавторов статьи. «Сборка волокон была спонтанной, чрезвычайно быстрой и легко воспроизводимой. Важно отметить, что волокна имели отчетливую иерархическую структуру, присущую натуральному шелковому волокну».
Возможность искусственно производить шелковые волокна с помощью этого метода может дать множество преимуществ. Мало того, что это может помочь уменьшить негативное воздействие, которое современное текстильное производство оказывает на окружающую среду, но биоразлагаемая и биосовместимая природа паучьего шелка делает его идеальным для биомедицинских применений, таких как шовный материал и искусственные связки.
«Нам необходимо расширить нашу методологию производства волокон и сделать ее непрерывным процессом. Мы также будем оценивать качество нашего искусственного паучьего шелка, используя несколько показателей, и на основе этого вносить дальнейшие улучшения» — сказал Кейджи Нумата.