Многочисленные ученые стремятся раскрыть удивительную способность пауков вырабатывать нити шелка, которые невероятно прочные, легкие и гибкие. Фактически, фунт к фунту, паучий шелк прочнее стали и крепче кевлара. Однако пока никому не удалось воссоздать работу пауков.
Если нам когда-нибудь удастся разработать синтетический аналог с такими характеристиками, откроется целый новый мир возможностей: искусственный паучий шелк сможет заменить материалы вроде кевлара, полиэстера и углеродного волокна в промышленности и использоваться, например, для изготовления легких и гибких бронежилетов.
Постдок и биофизик Ирина Ячина из Департамента биохимии и молекулярной биологии Университета Южной Дании (SDU) участвует в этой гонке за раскрытие рецепта супершелка. Она была очарована паучьим шелком еще со времен обучения в магистратуре в SDU, и в настоящее время она исследует эту тему в Массачусетском технологическом институте в Бостоне при поддержке Фонда Виллума.
В рамках своих исследований она сотрудничает с доцентом и биофизиком Джонатаном Брюером из SDU, который является экспертом в использовании различных видов микроскопов для изучения биологических структур. Вместе они теперь впервые исследовали внутренние части паучьего шелка с помощью оптического микроскопа, не разрезая и не вскрывая шелк никаким образом. Эта работа была опубликована в журналах Scientific Reports и Scanning.
По словам дуэта, для этой цели они использовали менее инвазивные методики, такие как когерентное антистоксово комбинационное рассеяние, конфокальную микроскопию, ультраразрешающую конфокальную флуоресцентную деплеционную микроскопию, сканирующую гелиево-ионную микроскопию и распыление ионов гелия.
Различные исследования показали, что волокно шелка паука состоит по крайней мере из двух наружных слоев липидов, т.е. жиров. За ними, внутри волокна, находится множество так называемых фибрилл, расположенных в прямом, плотно упакованном ряду (см. иллюстрацию). Диаметр фибрилл составляет от 100 до 150 нанометров, что ниже предела, который можно измерить с помощью обычного светового микроскопа.
По словам Ирины Ячиной, они не скручены, как можно было предположить, так что теперь известно, что нет необходимости скручивать их при попытках создания синтетического паучьего шелка.
Ирина Ячина и Джонатан Брюер работают с волокнами шелка золотистого паука-кругопряда, Nephila Madagascariensis, который вырабатывает два разных типа шелка: один, называемый MAS (волокна шелка основных ампул), используется для построения паутинной сети паука, а также это шелк, который паук использует, чтобы висеть. Ирина Ячина называет его спасательной веревкой паука; он очень прочный и имеет диаметр примерно 10 микрометров.
Другой, называемый MiS (волокна шелка малых ампул), служит вспомогательным материалом для строительства. Он более эластичный и обычно имеет диаметр 5 микрометров.
Согласно анализу дуэта, MAS шелк содержит фибриллы с диаметром примерно 145 нанометров. Для MiS это примерно 116 нанометров. Каждая фибрилла состоит из белков, и задействовано несколько разных белков. Эти белки вырабатываются пауком при создании им волокон шелка.
Понимание того, как они могут создавать такие прочные волокна, важно, но волокна также сложно произвести. Поэтому исследователи в этой области часто полагаются на пауков для производства шелка для них. В качестве альтернативы они могут использовать вычислительные методы, над чем Ирина Ячина в настоящее время работает в MIT: "Сейчас я провожу компьютерное моделирование того, как белки превращаются в шелк. Цель, конечно, состоит в том, чтобы научиться производить искусственный паучий шелк, но меня также интересует внесение вклада в более глубокое понимание окружающего нас мира", - говорит она.
📝 DOI: 10.1038/s41598-023-33839-z
📝 DOI: 10.1155/2023/2936788
🎓 Интересное в науке. Telegram
#паучийшелк #самыйпрочныйшелк #прочнеестали #исследованияшелка #биофизика #нанотехнологии #микроскопия #белки #волокна #синтетика #материаловедение #инновации #нитевидение #спасательнаяверевка #компьютерноемоделирование
