Фото: Научные отчеты (2023)

Scientific Reports: новая информация о самом прочном в мире паучьем шелке

Многие исследователи мечтают расшифровать удивительную способность пауков создавать сверхпрочные, сверхлегкие и сверхгибкие шелковые волокна — но пока никому не удалось воспроизвести работу пауков.

Если однажды удастся создать синтетический материал с такими же свойствами, откроется целый мир новых возможностей: искусственный паучий шелк может заменить в промышленности такие материалы, как кевлар, полиэстер и углеродное волокно, и может быть использован, например, для изготовления легких и гибких пуленепробиваемых жилетов.

Постдокторский исследователь и биофизик Ирина Яхина с кафедры биохимии и молекулярной биологии Университета Южной Дании (SDU) принимает участие в этой гонке, чтобы раскрыть рецепт суперволокна. Она увлекается паучьим шелком еще со времен учебы в университете и в настоящее время изучает эту тему в Массачусетском технологическом институте в Бостоне при поддержке Фонда Виллума.

В рамках своего исследования она сотрудничает с адъюнкт-профессором и биофизиком Джонатаном Брюэром из SDU, который является экспертом в использовании различных типов микроскопов для изучения биологических структур.

Вместе они впервые изучили внутреннюю часть паучьего шелка с помощью оптического микроскопа, не разрезая и не вскрывая шелк. Эта работа была опубликована в журналах Scientific Reports и Scanning.

«Мы использовали несколько передовых методов микроскопии, а также разработали новый вид оптического микроскопа, который позволяет нам заглянуть внутрь куска волокна и увидеть, что находится внутри», — объясняет Джонатан Брюэр.

До сих пор паучий шелк анализировался с помощью различных методов, каждый из которых позволил по-новому взглянуть на предмет. Однако, как отмечает Джонатан Брюэр, у этих методов были и недостатки, поскольку они часто требовали разрезания шелкового волокна (также называемого нитью) для получения поперечного сечения для микроскопического исследования или замораживания образцов, что может изменить структуру шелковых волокон.

«Мы хотели изучить чистые и не манипулированные волокна, которые не были разрезаны, заморожены или подвергнуты каким-либо манипуляциям», — говорит Ирина Яхина.

Для этого исследовательский дуэт использовал менее инвазивные методы, такие как когерентное антистоксово комбинационное рассеяние света, конфокальная микроскопия, конфокальная отражательная флуоресцентная микроскопия сверхразрешения, сканирующая гелий-ионная микроскопия и гелий-ионное напыление.

Различные исследования показали, что волокна паучьего шелка состоят как минимум из двух внешних слоев липидов, т.е. жиров. За ними, внутри волокна, находятся многочисленные так называемые фибриллы, которые идут в прямой, близко расположенной последовательности (см. рисунок). Диаметр фибрилл варьируется от 100 до 150, что ниже предела, который можно измерить с помощью обычного светового микроскопа.

«Они не скручены, как мы могли бы себе представить, поэтому теперь мы знаем, что нет необходимости скручивать их при создании синтетического паучьего шелка», — рассказывают ученые.

Специалисты работают с шелковыми волокнами паука Nephila madagascariensis, который производит два разных типа шелка: один, называемый MAS (большие ампулярные шелковые волокна), используется для формирования паутины, на которой паук висит. Ирина Яхина называет его спасательным кругом паука; он очень прочный и около 10 микрометров в диаметре.

Второе волокно, называемое MiS (тонкие волокна ампулированного шелка), служит опорным материалом для конструкции. Оно более гибкое и обычно составляет 5 микрометров в диаметре.

Согласно двойному анализу, шелк MAS содержит волокна диаметром около 145 нанометров. В случае с MiS он составляет примерно 116 нанометров. Каждое волокно состоит из белков, причем в его состав входит несколько различных белков. Эти белки вырабатываются пауком в процессе формирования шелковых нитей.

Важно понять, как им удается создавать такие прочные нити, но нити также трудно производить. Поэтому исследователи в этой области часто прибегают к помощи пауков, которые производят для них шелк.

В качестве альтернативы они могут обратиться к вычислительным методам, над которыми сейчас работает Ирина Яхина из Массачусетского технологического института.

«Сейчас я работаю над компьютерным моделированием того, как белки превращаются в шелк. Конечно, цель — научиться делать искусственный паучий шелк, но мне также интересно внести свой вклад в более глубокое понимание окружающего нас мира», — говорит она.

Эксклюзивный перевод

Поделиться:

Подписывайтесь на краткие, но содержательные новости со всего мира
глазами молодого поколения в Телеграм и ВКонтакте.

Почитайте также

Новый вид пиратских пауков обнаружен на острове в Южной Атлантике

78 На отдаленном тропическом острове в Атлантическом океане была обнаружена пара выброшенных на берег пиратов. …