Китайские учёные раскрыли механизм прядения шелка тутовым шелкопрядом

Шелк — это белковое волокно с превосходными механическими свойствами, которое шелкопряд производит из водорастворимого белка фиброина при комнатной температуре и нормальном давлении. Более века исследователи пытались расшифровать механизм прядения у шелкопряда, чтобы создать искусственные волокна со свойствами, сравнимыми с натуральным шелком.

Существовали две основные модели: «жидкокристаллическая» (прядильный раствор — это жидкий кристалл из стержневидных агрегатов глобулярного фиброина) и «мицеллярная» (раствор — это мицеллы из амфифильного фиброина). Однако из-за отсутствия данных о тонкой структуре нативного фиброина шелка (NSF) в просвете шелкоотделительной железы модели оставались спорными.

Основной проблемой было то, что NSF в железе стабилен при концентрации 15–30% (w/v), но после очистки быстро агрегирует и выпадает в осадок. Большинство исследований использовали регенерированный фиброин (RSF), а не NSF.

В новом исследовании, опубликованном в Science Bulletin, учёные после 4 лет работы, вскрытия более 20 000 личинок и скрининга более 1000 соединений, нашли, что только амфипол и дигитонин могут долго сохранять NSF стабильным in vitro.

Ключевые открытия:

  1. Ионы металлов обратимо индуцируют образование NSF гибких нанофибрилл с коэффициентом седиментации 5.8 S и диаметром ~4 нм, а не мицелл или агрегатов, как предполагалось ранее. Нанофибриллы состоят в основном из случайных клубков.
  2. Последовательное снижение pH от задней (PSG) к передней (ASG) части железы постепенно увеличивает гидрофобность NSF, вызывая отделение молекул воды и переход NSF-нанофибрилл из золя в гель. Это повышает концентрацию прядильного раствора и способствует формированию волокна.
  3. NSF-нанофибриллы случайно диспергированы (изотропны) от PSG до ASG-1, но самособираются в высокоупорядоченные «ёлочные» структуры (herringbone patterns) в области ASG-2 возле прядильного аппарата. Это формирует анизотропный прядильный раствор с явной двулучепреломляемостью, готовый к прядению.

Выводы и значение:

  • Обнаружены два ключевых события в железе: формирование NSF-нанофибрилл и их самосборка в «ёлочные» структуры, запрограммированные градиентом pH и ионами металлов.
  • Предварительная молекулярная ориентация NSF вносит значительный вклад в прочность (toughness) шелкового волокна. В отличие от искусственного прядения, где выравнивание происходит при последующем растяжении, эта предсформированная высокоупорядоченная структура может объяснять более высокую прочность натурального шелка.
  • Упорядоченная «ёлочная» структура может эффективно выдерживать высокое удлинение без потери прочности.
  • Предварительное выравнивание NSF-нанофибрилл в прядении шелкопряда представляет новую стратегию для создания сверхпрочных волокон с более высокой прочностью, жесткостью и ударной вязкостью.