Материал, который в 7-10 раз прочнее стали. Материал, который растягивается в 20 раз и при этом не теряет своей прочности. Сохраняет все свои свойства и при температуре от -20 до 330°С. Этот материал ничем не уступает кевлару, вот только его происхождение биологическое!
Звучит как «технологии пришельцев», не правда ли?
Но рассказ о настоящей его истории выглядит еще более фантастично!
Ведь речь идет о… шелке, который, получен из молока козы с геном паука! Выглядит совершенно неправдоподобно, а мы с вами любим добираться до сути. Так что в путь!
Мы помним, что шелком мы обязаны тутовому шелкопряду. Но только ли? Оказывается, химически к шелку очень близок белок, который выделяют пауки.
То есть паутина. Или секрет паутинных желёз пауков, который вскоре после выделения застывает в форме нитей.
Есть такой вид пауков Nephila clavipes, из рода банановых пауков (banana spiders. Они же кругопряды-нефилы, они же golden silk orb-weavers, что можно перевести как «золотопряды», они же гигантские древесные пауки giant wood spiders, и вообще еще куча названий.) В общем, ядовитые пауки, плетущие самые большие и самые прочные в мире паутины. Но как бы велики не были их паутины, представьте себе, сколько потребуется маленьких тружеников для изготовления одного такого шелкового платья!
![Nephila clavipes. Источник [6]](https://avatars.dzeninfra.ru/get-zen_doc/44972/pub_5b4d599916c0f400a96fdf6b_5b4d5dccbf2a8f00a99a5de0/scale_1200)
Вот только склоки в паучьих трудовых коллективах решаются не подсыпанной в чашку коллеги пемоксолью, а поеданием соперника. Что, надо полагать, не способствует дружеской атмосфере и приему новых сотрудников в проект.
Совершенно неприятный расклад дел, с учетом ценности конечного продукта - dragline silk — одного из самых прочных и эластичных видов «паучьего шелка».
В начале 2000х компания Nexia Biotechnologies придумала решение для этой проблемы: а что, если взять у пауков ген, ответственный за выработку «паутинного» белка и подсадить его кому-то более крупному и покладистому, из которого будет гораздо проще получать конечный продукт? Выбор пал на коз.
Отвлечемся ненадолго от пауков и поговорим о «молочных биореакторах». То есть о козах, коровах, овцах и даже кроликах. В общем обо всех тех, кого можно доить (не будем вспоминать героя Адама Сендлера из «Знакомства с родителями» и его фразочку «доить можно всех, у кого есть соски». Все же стоит сосредоточиться на самочках и том факте, что нам от них нужно молоко:)) Уже многие годы ученые используют таких животных для производства различных белков, становящихся основой лекарств. В ссылках к этому материалу положу статью о том, как новосибирские ученые используют молоко генетически модифицированных мышек для лечения онкобольных. [7]
Выходит, из молочных животных мы получаем продукт, ради которого не нужно убивать само животное!
Возможно, многие помнят, что такие важные человеку белки как инсулин можно получать из генно-модифицированных бактерий. Так зачем же заморачиваться с млекопитающими, когда бактерий так просто модифицировать и содержать?
Во-первых, бактерии - прокариоты, а мы с вами, как и все высшие животные, - эукариоты. Гены прокариот читаются «целиком», а гены эукариот - небольшими кусочками, а потом эти кусочки собираются в новый большой кусок, с которого дальше будет производиться белок. Такой механизм разрезания и сборки называется сплайсинг. Он очень сложный и не под силу бактериям. Но как же тогда инсулин?
Инсулин - очень короткий белок. Его ДНК-матрицу можно собрать всего из двух кусочков гена, и учёные научились исхитряться так, чтобы это могли сделать и бактерии. А вот с длинными и сложными белками так не получится. Поэтому эукариотический белок могут производить только эукариоты.
Но есть ещё и во-вторых! Одна маленькая крольчиха, дающая всего напёрсток молока, заменит по производительности пару цистерн с гм-бактериями!
Что ещё надо учесть: мы ведь говорим о встраивании чужого гена, вырабатывающего чужеродный белок. Если мы не позаботимся о том, чтобы этот ген «работал» строго в одном месте организма, мы можем навредить животному. Чтобы встроенный ген работал только в том органе, где нужно ученым, нужно использовать правильный промотор.
Промоторы это такие специальные отдельные кусочки генов, с которых каждый ген начинается. Чтобы понять их смысл, проще всего представить сборник инструкций а-ля «Энциклопедия для девочек» из моего детства.
У каждой главы в этой книге есть свой заголовок. Например, «Как приготовить кашу в мультиварке». Если с этим сборником в руках вы застряли в лифте, сомневаюсь, что эта глава вам пригодится. Зато будет смысл прочесть текст под названием «Что делать, если вы застряли в лифте».
То есть промоторы это такие заголовки, соответствующие своим генам. Читатель (в случае книги это мы, в случае гена - это «генетические машинки») всегда начинает прочтение с такого заголовка. Если «читатель» видит, что заголовок не соответствует ситуации, то дальше он не читает текст. То есть ген не будет работать там, где «не подходит» его промотор.
Промоторы бывают специфические - то есть работают только в определённых органах или при определенных условиях, и не специфические - работают везде и всегда. Например, зубная эмаль нам нужна только на зубах, значит и читать ответственные за неё гены стоит только там и больше нигде.
Получается, что если мы встроим чужой ген под управление промотора, который работает только в печени целевого организма, то и работать он будет только в печени и никогда не «убежит» в клетки других органов и не навредит организму.
Так в случае молочных биореакторов чужой ген мы ставим под управление промотора, который позволит ему работать только в молочной железе и нигде больше. Тем самым обезопасив гм-животное.
Но вернемся к нашим баранам. Точнее козам. Итак, учёные взяли паучий ген, отвечающий за выработку «паутинного» белка. Приклеили к нему промотор, который позволит работать этому гену только в молочной железе. Затем встроили эту конструкцию в ДНК козы. Поместили изменённую ДНК в яйцеклетку мамы-козы и родилось у неё (не смейтесь!) семеро козлят:)
Дальше надо было выяснить, передались ли кому-то из малышей рекомбинантные (это вот те самые изменённые) гены. И оказалось, что трое козлят как раз такие!
Выросли из них козочки, молоко давали «правильное», «паутинное».
Все надежды ученых оправдались! Очищенный белок можно было использовать для производства сверхпрочного, легкого и эластичного материала. Назвать его решили BioSteel (биосталь).
Применение ему прогнозировали очень широкое: хирургические нити, искусственные сухожилия и связки, которые из-за биологического происхождения материала должны были легче приживаться у пациентов, прочная и удобная одежда и даже бронежилеты!
Но радоваться было рано. К сожалению, производство такого белка оказалось очень дорогим. Коммерчески оно не окупалось. И в 2005м году Nexia Biotechnologies обанкротилась. А в 2009 две из «паучьих» козочек оказались в Агрокультурном музее Канады.
Это была бы очень грустная история о потерянной технологии, если бы эстафету не подхватил Рэнди Льюис (Randy Lewis) учёный из университета Вайоминга (позднее университета штата Юта).
Под его руководством были проведены новые исследования, а затем на свет вновь появились «паучьи» козлята. Сейчас на ферме при университете таких бегает уже 30 штук! Может быть однажды нам ещё доведётся вживую пощупать этот невероятный материал.
Материалы:
[1] BioSteel Wiki
[3] Паук+коза, капуста+скорпион: самые невероятные генетические эксперименты
[4] Молочные мыши и лечебные козы «ТРОИЦКИЙ ВАРИАНТ» №13, 2014
[5] Scientists mark 'watershed' breakthrough in synthetic spider silk production
[6] Nephila clavipes