Зачем скрестили паука и козу
Натуральная паутина эластичная, прочная и лёгкая. Люди давно думали, как можно использовать в своих целях такой уникальный материал, как паучий шелк.
Паутинная нить может быть полезна в медицине и высокотехнологичном производстве. Из неё можно произвести:
- искусственные связки, которые выдерживают высокие нагрузки и не отторгаются организмом,
- хирургические нитки,
- прочные бинты,
- компьютерные чипы,
- лёгкие бронежилеты,
- рыболовную леску,
- волокно-оптические кабели и т. д.
У паутинной нити нет достойного синтетического аналога. А получать нить непосредственно от самих пауков — трудоёмко и неэффективно. Дело в том, что пауков сложно разводить на фермах. Паукообразные агрессивны по отношению к себе подобным и с трудом уживаются на одной территории.
Тогда у генных инженеров возникла идея привить ген пауков козам и получать драгоценную нить из их молока.
Как скрестили паука и козу
Эксперимент по скрещиванию паука и козы провёл профессор генетики Рэнди Льюис из университета Вайоминга.
Для эксперимента взяли пауков-кругопрядов (лат. Nephila), также их называют гигантскими древесными пауками, золотопрядами и т. д.
Учёные разобрали ДНК животного и выделили ген, который отвечает за производство паучьего шёлка. Затем полученный ген встроили в генный ряд эмбриона козы, а эмбрион имплантировали живой козе.
Коза, которая родилась в результате эксперимента, внешне выглядела как сородичи, но имела одну сверхспособность. В молоке генно-модифицированной козы есть особый белок, который после обработки можно превратить в паучий шёлк.
Генно-модифицированные козы здоровы и дают потомство, которое сохраняет мутацию в своих генах. В итоге в штате Юта в США появилась целая ферма с генно-модифицированными животными, которых назвали «козы-пауки».
Из молока одной такой козы за день можно получить столько же паучьего шёлка, сколько за это же время от миллиона пауков.
Жутковато? Большинство людей описывают паучьих коз Университета штата Юта как «очаровательных». На самом деле, Льюис старается как можно чаще выставлять своих коз напоказ, чтобы продемонстрировать их «нормальность». Никто не может отличить трансгенных коз от тех, которые не получили паучьих генов.
Тем не менее, неудивительно, что козы Льюиса и соответствующие исследования захватывают воображение людей. Льюис предполагает, что изготовленные паучьи шелка можно использовать в синтетических связках, сухожилиях, костях и коже, а также в подушках безопасности, достаточно безопасных для маленьких детей, и в более легких, прочных и удобных бронежилетах. Один из членов исследовательской группы Льюиса изучает клей, который выделяют пауки, чтобы скрепить нити паутины, в качестве основы для хирургического клея, который когда-нибудь можно будет использовать для лечения человеческих лиц, изуродованных травмами или болезнями, и предотвращения изнуряющих уродств.
Учёные не останавливаются в своих экспериментах. Есть компании, которые для производства биосинтетического шёлка используют генно-модифицированные бактерии и дрожжевые белки.
Свойства паучьего шёлка
Искусственно полученная паутина обладает целым рядом ценных свойств.
- Белки паутины не вызывают иммунного ответа, на её поверхности плохо растут и размножаются бактерии. Поэтому паучий шёлк можно использовать в медицине: для производства хирургических нитей, заживляющих повязок, покрытия имплантатов и т. д.
- Паучий шёлк идеально сочетает прочность и эластичность. Полученные волокна в несколько раз прочнее кевлара — материала, из которого делают бронежилеты. Паучий шёлк можно использовать для изготовления материалов, которые должны выдерживать высокие нагрузки.
- Паучий шёлк не плавится, что снижает риск ожогов при воздействии высоких температур. Материал можно применять в армейской экипировке.
- При добавлении керамических наночастиц к паучьему шёлку получаются отличные упаковочные материалы, которые не пропускают газ и пары воды.
- Паучий шёлк интересен и модной индустрии — как современный уникальный материал и дополнительный повод привлечь внимание к бренду.
Одежда и обувь из паучьего шёлка
Есть несколько известных компаний, которые экспериментировали с одеждой и обувью с паучьим шёлком в составе.
Немецкая компания AMSilk из белков паучьего шёлка изготавливает волокна под торговым названием Biosteel («Биосталь»). Из этого волокна можно производить одежду, обувь и текстиль для отделки кресел автомобилей и самолётов.
В 2014 году компания adidas выпустила линию спортивной обуви, которая почти полностью, кроме подошвы, была сделана из волокон Biosteel.
В 2017 году компания Bolt Threads выпустила галстуки из паучьего шёлка. Материал был получен с помощью генно-модифицированных дрожжей. Дрожжи произвели белок, из которого и изготовили искусственную ткань. Компании потребовалось 90 километров паучьего шёлка, чтобы изготовить 50 галстуков. Каждый стоил 314 долларов. А чтобы определить, кто именно сможет купить аксессуары, Bolt Threads организовала лотерею на своём сайте.
В 2019 году японская биотехнологическая компания Spiber в коллаборации с брендом The North Face выпустила первую в мире парку на основе паучьего шёлка. Высокотехнологичное изделие назвали Moon Parka. Парка получилась тёплая, водонепроницаемая и при этом дышащая.
Компания, которая планировала изготавливать паучий шелк из молока коз-пауков, в итоге обанкротилась. А вот производство уникального материала с помощью генно-модифицированных бактерий и дрожжей оказалось более эффективным. Технологии не стоят на месте, и кто знает, возможно, совсем скоро в магазинах станут привычными этикетки Spider Silk — «сделано из биосинтетического паучьего шёлка».
Представьте себе кожу, которая настолько прочна, что достойна Супермена. Если вы думаете, что это всего лишь воображение, то проснитесь, потому что голландская художница и ее команда ученых только что создали ее. Пуленепробиваемая кожа сделана из биоинженерных клеток кожи, укрепленных синтетическим паучьим шелком, зажатым между клетками. Даже паучий шелк — это не просто обычный шелк. Он был получен от генетически модифицированной козы-паука, молоко которой содержит паучий шелк. Невероятно, не правда ли? Продолжайте читать эту статью, чтобы узнать больше о козе-пауке, козе, которая производит паучий шелк, используемый для создания пуленепробиваемой кожи.
Паутина тоньше волоса, но прочнее стали, является не менее чем загадкой для ученых.
Паучий шелк — один из самых прочных материалов, доступных в природе. Лучшим из них является драглайновый шелк, который пауки производят, чтобы зацепиться за себя при падении. Этот шелк прочнее кевлара и обладает эластичностью и легкостью нейлона. Долгое время ученые пытались найти способ производить его в больших масштабах. Один из способов — выращивать пауков, но это невозможно, поскольку пауки чрезвычайно территориальны и имеют склонность к каннибализму. Кроме того, использование натурального паучьего шелка для создания объекта — это трудоемкий и довольно сложный процесс. Например, для изготовления одного гобелена размером 11 на 4 фута потребовалось более миллиона пауков-золотистого кругопряда и 70 рабочих, которые работали четыре года. Гобелен был завершен в 2009 году. Сейчас он выставлен в Американском музее естественной истории.
Когда исследователи начали искать другие способы производства паучьего шелка, они добились успеха с помощью генной инженерии. В начале 2000-х годов канадская компания обратилась к профессору Рэнди Льюису, тогда работавшему в Университете Вайоминга, с просьбой найти альтернативный способ производства паучьего шелка. Льюис, молекулярный биолог, успешно создал коз-пауков, генетически модифицированных коз, содержащих гены паука. В 2009 году компания обанкротилась, и с тех пор Льюис переехал в Университет штата Юта. Его творение, козы-пауки, начали процветать на ферме, управляемой университетом.
Все существа на Земле обладают своими собственными уникальными чертами и характеристиками. Эта уникальность исходит из информации, закодированной в их ДНК. В нуклеотиде ДНК есть четыре типа оснований: аденин (A), тимин (T), гуанин (G) и цитозин (C). Порядок, в котором расположены эти основания, определяет генетический код всех живых существ. То же самое справедливо и для кода паучьего шелка и козьего молока. Несмотря на то, что оба они различны, в широком смысле они написаны на одном и том же языке. С помощью генной инженерии ученые вырезают и вставляют фрагменты ДНК из одного вида в другой. Так был создан паук-коза.
Процесс генетической модификации начинается с одного гена. Ген паука, отвечающий за прядение шелка, добавляется к ДНК козы. Это делается, пока коза все еще находится в яйце в утробе матери. Сначала извлекаются ядро и хромосомы из исходной яйцеклетки. Затем хромосомы из генетически модифицированной клетки помещаются в яйцо. По мере роста яйца гены делятся и размножаются. Таким образом, по мере взросления козы ее организм вырабатывает белок паучьего шелка. Этот ген передается следующему поколению, когда коза размножается.
У пауков-коз в Университете штата Юта есть очаровательные имена, такие как «Пудинг», «Свити» и «Веснушки». Их выращивают ради молока, которое содержит белок паучьего шелка. После отделения белка шелка от молока, его превращают в порошок, который обрабатывают и прядут в шелковое волокно.
Крупная ферма по разведению пауков и коз теперь существует в Университете штата Юта, которую возглавляет руководитель проекта Рэнди Льюис. Козы, которых здесь выращивают, имеют очаровательные имена, такие как «Пудинг», «Милашка» и «Веснушки». Эти пауки-козы выглядят так же, как и любая обычная коза. Единственное отличие в том, что молоко этих коз наполнено белком паучьего шелка. Паучий шелк относится к классу материалов, называемых «биополимерами», которые представляют собой материалы на основе белка биологического происхождения.
Каждая генетически модифицированная коза в Университете штата Юта производит около унции белка паучьего шелка за сеанс доения. Молоко сепарируется, а оставшийся продукт очищается несколько раз. Затем его промывают, высушивают вымораживанием и превращают в порошок. Этот порошок можно прясть в волокно. Также его можно преобразовывать в покрытие или клей. После сепарации молоко не хранится для потребления человеком. Волокно, произведенное из молока паучьей козы, всего на половину или две трети прочнее паучьего шелка. Но эластичность такая же, как у оригинального паучьего шелка.
Шелк, производимый пауками-козами, использовался для создания различных предметов, но самым инновационным из них является пуленепробиваемая кожа. Хотя кожа не так неуязвима, как бронежилет Type-1, она может остановить пулю, выпущенную с пониженной скоростью. Генетически модифицированная кожа была выставлена в 2011-2012 годах в музее в Нидерландах.
https://www.youtube.com/watch?v=I5oHMLIzxHg&t=126s
Шелк, полученный из молока паука-козы, имеет множество применений. Благодаря своей прочности и долговечности его можно использовать даже для изготовления бронежилетов. Когда голландская художница и предпринимательница Джалила Эссайди услышала об этом, она решила пойти дальше и создать пуленепробиваемую кожу. Для этого проекта она сотрудничала с Forensic Genomics Consortium Netherlands и получила помощь от ученых и техников из Америки, Южной Кореи, Германии и Нидерландов. Паучий шелк был взят из Университета штата Юта, смотан в нить в Южной Корее, а затем соткан в Германии.
Человеческая кожа состоит из трех слоев: эпидермиса, дермы и гиподермы. Для создания пуленепробиваемой кожи были взяты клетки дермы и эпидермиса. Затем в Медицинском центре Лейденского университета в Нидерландах синтетический паучий шелк был зажат между слоями биоинженерных клеток кожи. Полученная «кожа» была затем доставлена в Нидерландский институт судебной экспертизы для баллистических испытаний. Испытание показало, что кожа успешно останавливает пули, выпущенные с пониженной скоростью. Но когда пули были выпущены из винтовки .22 калибра с нормальной скоростью, они пробили кожу.
Тест показал, что если бы на людей надели эту пуленепробиваемую кожу и в них стреляли, кожа не была бы проколота. Однако внутренние ткани были бы повреждены из-за удара пули. Поэтому необходимо провести дополнительные исследования, прежде чем настоящая пуленепробиваемая «суперкожа» станет реальностью. Эта пуленепробиваемая кожа была представлена в Национальном музее естественной истории Naturalis в Лейдене, Нидерланды, в 2011 и 2012 годах.
Создатель пуленепробиваемой кожи теперь использует шелк паука-козы для создания каркасов органов. Кроме того, в 2015 году Университет штата Юта получил контракт на 1 миллион долларов от армии США на производство шелка.
После экспериментов с пуленепробиваемой кожей с использованием синтетического паучьего шелка Джалила основала компанию «Inspidere». Она разрабатывает устойчивые материалы, включая синтетический паучий шелк. Синтетический паучий шелк используется для создания каркасов органов. Каркасы органов, или биокаркасы, предназначены для имплантации в тело человека. Существует очень мало материалов, из которых можно изготовить биокаркасы, поскольку большинство материалов не являются биосовместимыми с человеческим телом. Поскольку белок паучьего шелка совместим с человеческим телом, его объединяют с кобальт-хромом (CoCr) для формирования функционирующих синтетических органов.
Как и Джалила, многие другие исследователи, ученые и художники пытаются создать новые предметы из паучьего шелка. Даже армия США заинтересована в синтетическом шелке. В 2015 году они предоставили контракт на 1 миллион долларов Университету штата Юта на производство шелка из паучьего козла. Текстиль, сотканный для этого шелка, легче кевлара. Кроме того, в отличие от нейлона, он не плавится, что делает его привлекательным материалом для бронежилетов.
Материал использован из статеи журналов BURDA и Штат Юта СЕГОДНЯ