Ученые давно мечтали создать синтетический паутинный шелк и превратить его во всевозможные легкие материалы, от сверхпрочных тканей до хирургических нитей. Но в то время как изготовление шелка может быть легким для пауков, для инженеров это оказалось очень трудным. Теперь группа думает, что она, наконец, сделала это. Их хитрость: заручиться помощью бактерий.
Полученный искусственный шелк прочнее и жестче, чем то, что могут сделать некоторые пауки.
«Впервые мы можем воспроизвести не только то, что может сделать природа, но и выйти за рамки того, что может сделать натуральный шелк», — говорит Цзинъяо Ли. Он один из инженеров-химиков, которые работали над продуктом.
Его команда из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, штат Миссури, описала, как они сделали это 27 июля в ACS Nano .
Нанокристаллы — ключ к прочным шелкам
Белки — это сложные молекулы , которые определяют структуру и функции живых существ. Белки паука, производящие шелк, называемые спидроинами, образуются в его брюшной полости в виде густой жидкости. Прядильщики, части тела на заднем конце паука, превращают жидкость в длинные нити. Молекулы белков шелка организованы в плотную повторяющуюся структуру, называемую нанокристаллом. Эти кристаллы размером в несколько миллиардных долей метра (ярда) являются источником прочности паучьего шелка. Чем больше нанокристаллов в волокне, тем прочнее будет шелковая нить.
Общей проблемой, с которой столкнулись ученые, является создание волокон с достаточным количеством нанокристаллов для образования шелка. Объясняет Ли: «То, что происходит в шелковой железе паука, довольно сложное и очень тонкое — его трудно полностью воспроизвести».
Несколько лет назад исследователь объединил два набора спидроиновых белков. Это создало структуру с большим количеством нанокристаллов. Команда Ли также знала, что один конкретный белок — амилоид (AM-ih-loyd) — может стимулировать образование кристаллов. Ли и его начальник из Вашингтонского университета Фучжун Чжан задались вопросом, смогут ли они соединить амилоид со спидроином, чтобы получить очень длинный гибридный белок, который мог бы легко формироваться в нанокристаллы. Они назвали этот гибрид амилоидно-белковым полимером .
Полимеры представляют собой цепные молекулы, состоящие из повторяющихся звеньев. Обычные бактерии уже много лет производят белки в научных лабораториях. Ли сравнивает микробы с «маленькими фабриками» по производству белков. Его команда решила использовать эти одноклеточные микробы для создания своего гибридного белка.
ДНК — это генетический код, который дает всем людям их черты. Исследователи начали с того, что вставили в бактерии фрагмент чужеродной ДНК. Команда решила работать с Escherichia coli . Это обычная бактерия, обнаруженная в окружающей среде и кишечнике человека.
Для получения этой ДНК инженеры обратились к самке золотой ткачихи ( Trichonephila clavipes ). Он также известен как банановый паук или золотой шелковый паук. Эти самки плетут одну из самых больших сетей в лесах на юге Соединенных Штатов. Шелк драглайна, на котором держится их паутина, кажется тонкой нитью. Но он прочнее и эластичнее стали. Должно быть. Эта паутина должна быть достаточно прочной, чтобы удерживать любое пойманное насекомое вместе с ткачихой, длина которой может достигать 7 сантиметров (почти 3 дюйма), и ее помощником.
Начав с ДНК паука, исследователи слегка подкорректировали ее в лаборатории, прежде чем вставить в бактерии. Впоследствии, как и предполагалось, этот микроб создал гибридный белок. Затем исследователи превратили его в порошок. По словам Ли, в комках он выглядит и на ощупь напоминает белую сладкую вату.
Скручивание волокна и проверка его прочности
Ученые пока не могут скопировать паутинную паутинную паутину. Поэтому они используют другой подход. Сначала они растворяют протеиновый порошок в растворе. Это имитирует жидкий шелк в животе паука. Затем они проталкивают этот раствор через маленькое отверстие во второй раствор. Это заставляет строительные блоки белка складываться и образовывать волокна.
Чтобы проверить их прочность, инженеры тянули волокна до тех пор, пока они не порвались. Они также зафиксировали, как долго волокно растягивалось до разрыва. Эта способность растягиваться означала, что волокна были жесткими. А новый гибридный шелк превзошел некоторые натуральные паучьи шелка как по прочности, так и по жесткости.
Производство синтетического шелка «проще и требует меньше времени, чем предыдущие процессы», — сообщает Ли. И, к его удивлению, «бактерии могли производить белки большего размера, чем мы ожидали».
Янг-Шин Джун, другой инженер-химик из Вашингтонского университета, показал это с помощью дифракции рентгеновских лучей. Этот метод направляет сверхкороткие волны света в кристалл, чтобы отобразить расположение его атомов в кристалле.
То, что она увидела, подтвердило жесткую структуру волокон. Натуральный шелк паука может иметь до 96 повторяющихся нанокристаллов. E. coli продуцировала белковый полимер, содержащий 128 повторяющихся нанокристаллов . Он был похож на амилоидную структуру натурального паучьего шелка, говорит Чжан, но даже сильнее.
Более длинные полимеры с большим количеством взаимосвязанных частей, как правило, создают волокно, которое труднее согнуть или сломать. В данном случае, говорит Ли, «механические свойства у него лучше, чем у природного спидроина».
Двигаясь на расстояние
Анна Райзинг — биохимик из Шведского университета сельскохозяйственных наук в Уппсале и Каролинского института в Стокгольме. Она тоже работала над созданием искусственного паучьего шелка . Она считает работу команды Ли большим шагом вперед. Она соглашается, что новые белковые волокна одновременно прочные и эластичные.
«Следующая задача может состоять в том, чтобы заставить бактерии производить больше белка», — говорит Райзинг. Она заинтересована в использовании паучьего шелка в медицинских целях. Ее собственная работа заключалась в изготовлении больших партий спидроинов, достаточных для того, чтобы сплести волокно длиной 125 километров (77,7 миль).
Ли и Чжан представляют себе, как однажды они превратят свой шелк в ткань или даже в искусственные мышечные волокна. На данный момент они планируют протестировать другие типы амилоидных белков при производстве шелка. Каждый новый дизайн белка может обладать полезными свойствами. И, добавляет Ли, «есть сотни амилоидов, которые мы еще не пробовали. Так что есть место для инноваций».
