Учёные создали искусственную паучью железу для получения натуралистичного шёлка

Исследователям удалось создать устройство, которое производит искусственный паучий шёлк, максимально близкий к натуральному. Искусственная шёлковая железа смогла воссоздать сложную молекулярную структуру шёлка, имитируя различные химические и физические изменения, которые естественным образом происходят в железе паука.

Эта экологичная инновация — большой шаг к устойчивому развитию и может повлиять на несколько отраслей. Исследование под руководством Кейджи Нуматы из Центра устойчивых ресурсов RIKEN в Японии и коллег из Кластера перспективных исследований RIKEN опубликовано в журнале Nature Communications.

Паучий шёлк, знаменитый своей прочностью, гибкостью и лёгкостью, обладает пределом прочности на разрыв, сравнимым со сталью того же диаметра, и непревзойдённым соотношением прочности к весу. Кроме того, он биосовместим (может использоваться в медицине) и биоразлагаем. Почему же всё не делают из паучьего шёлка? Крупномасштабный сбор шёлка от пауков оказался непрактичным, поэтому учёные разрабатывают способы его производства в лаборатории.

Паучий шёлк — это биополимерное волокно, состоящее из крупных белков с высокоповторяющимися последовательностями, называемых спидроинами. Внутри шёлковых волокон находятся молекулярные субструктуры — бета-слои, которые должны быть правильно выровнены, чтобы волокна обладали уникальными механическими свойствами. Воссоздание этой сложной молекулярной архитектуры годами ставило учёных в тупик. Исследователи из RIKEN использовали подход биомимикрии, а не пытались разработать процесс с нуля.

Как объясняет Нумата: «В этом исследовании мы попытались имитировать естественное производство паучьего шёлка с помощью микрофлюидики, которая включает течение и манипулирование малыми объёмами жидкостей через узкие каналы. Действительно, можно сказать, что шёлковая железа паука функционирует как своего рода природное микрофлюидное устройство».

Разработанное устройство представляет собой небольшой прямоугольный блок с крошечными каналами. Раствор-предшественник спидроинов помещается на одном конце, а затем подтягивается к другому концу с помощью отрицательного давления.

Когда спидроины текут через микрофлюидные каналы, они подвергаются точным изменениям химической и физической среды, что возможно благодаря конструкции системы. В правильных условиях белки самоорганизуются в шёлковые волокна с характерной сложной структурой.

Учёные экспериментировали, чтобы найти эти условия, и в итоге смогли оптимизировать взаимодействия между различными областями микрофлюидной системы. В частности, они обнаружили, что использование силы для проталкивания белков не работает; только при использовании отрицательного давления для вытягивания раствора спидроинов собирались непрерывные шёлковые волокна с правильным, характерным выравниванием бета-слоёв.

«Было удивительно, насколько надёжной оказалась микрофлюидная система после установления и оптимизации различных условий, — говорит старший научный сотрудник Али Малай, соавтор статьи. — Сборка волокон была спонтанной, чрезвычайно быстрой и высоковоспроизводимой. Важно, что волокна продемонстрировали отчётливую иерархическую структуру, которая обнаруживается в натуральном шёлковом волокне».

Возможность искусственного производства шёлковых волокон этим методом может принести многочисленные преимущества. Это не только поможет уменьшить негативное воздействие современного текстильного производства на окружающую среду, но и биоразлагаемая, биосовместимая природа паучьего шёлка делает его идеальным для биомедицинских применений, таких как швы и искусственные связки.

«В идеале мы хотим оказать реальное влияние, — говорит Нумата. — Для этого нам нужно масштабировать нашу методологию производства волокон и сделать её непрерывным процессом. Мы также оценим качество нашего искусственного паучьего шёлка по нескольким показателям и внесём дальнейшие улучшения».