Новый способ получения искусственной паутины

Искусственная паутина.
Искусственная паутина.

Учёные из Швеции, Китая, Испании и Великобритании получили искусственную паутину без использования агрессивных химикатов. Разработанный ими метод позволяет синтезировать километр волокна из литра белкового раствора. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Chemical Biology.

Паутина — очень лёгкий и крайне прочный материал. Предельное напряжение на разрыв нити паука может достигать 1,75 ГПа — для сравнения, для разных видов стали этот показатель составляет от 0,2 до 2 ГПа. При этом паутина гораздо легче металлов и в тридцать раз тоньше человеческого волоса. Неудивительно, что учёные заинтересовались природным материалом. Но он замечателен не только уникальными механическими свойствами — паутину можно успешно использовать в медицине. К примеру, российские учёные показали, что содержащиеся в ней белки способствуют эффективному заживлению ран у мышей.

Хорошо знакомые нам ловчие сети пауков состоят из нескольких типов нитей — радиальной, ловчей, вспомогательной спирали и каркасной нити. Именно каркасная нить занимает исследователей больше всего, потому что обладает одновременно высокой прочностью и высокой эластичностью. Чем же объясняются её свойства и как бы их воспроизвести на практике? Основные компоненты каркасной нити — белки-спидроины 1 и 2. Спидроины и другие протеины накапливаются в железе паука в жидкой форме, а затем выделяются через специальные каналы — прядильные трубочки — при этом структура белков изменяется и они затвердевают в форме тонких нитей. Учёные давно думают над тем, как получать паутину в промышленных масштабах. Её можно просто «надоить» из пауков, но это неэффективно: чтобы произвести ощутимое количество материала понадобится слишком много членистоногих. Поэтому исследователи получают спидроины из других организмов с помощью генной инженерии.

Схема прибора для «доения» пауков из исследования 1982 года.
Схема прибора для «доения» пауков из исследования 1982 года.

Однако искусственная паутина имеет недостатки — во-первых, рекомбинантные белки, созданные людьми, растворяются в воде не так хорошо, как паучьи, причём не помогает даже использование муравьиной кислоты и других растворителей. Во-вторых, искусственную паутину приходится подвергать специальной обработке — в противном случае ей недостаёт эластичности. Создать свежесформованную нить «идентичную натуральной» пока никому не удалось. Решением этих проблем и занялась международная группа учёных.

Большинство спидроинов состоит из нескольких основных компонентов: двух неповторяющихся гидрофильных участков на концах молекулы — N-терминального домена и C-терминального домена — и множества повторов аминокислот. Исследователи обратили внимание на то, что у разных видов пауков N- и C-домены обладают разными свойствами. У крестовиков C-участок растворяется в воде лучше, чем N-участок, у паука Araneus ventricosus — наоборот. Для того чтобы получить жидкую паутину, которая обладает той же растворимостью, что и натуральная, учёные создали гибридный белок, состоящий из N-домена паука вида Euprosthenops australis и C-домена A. ventricosus. В этом им помогла кишечная палочка Escherichia coli, которой встроили необходимые гены. Затем спидроины поместили в установку, которая имитировала железы паука: жидкость пропускали через тонкие стеклянные каналы диаметром 0,6 мм, погружённые в ёмкость с низкокислотным раствором.

Установка, имитирующая железу паука. Фото из нового исследования.
Установка, имитирующая железу паука. Фото из нового исследования.

На выходе учёные получали волокна искусственной паутины. Они испытали её на растяжение, а также изучили состав гибридных рекомбинантных белков с помощью спектрометрии. Выяснилось, что жидкая искусственная паутина растворяется в воде не хуже, чем настоящая. К сожалению, достичь паучьей эластичности так и не удалось, но, по словам исследователей, волокно выдерживало растяжение лучше, чем нити, созданные в ходе предыдущих экспериментов. «Этот метод впервые позволил нам прясть искусственную паутину без использования агрессивных химикатов», — объясняет Ян Йоханссон (Jan Johansson), один из авторов исследования. «Большое количество белков, производимых бактерией, позволяет нам получить километр биомемитического волокна из одного-единственного литра культуры E. coli», — добавляет он.