Исследователи создали устройство, прядущее искусственную паутину, очень похожие на те, которые пауки производят естественным путем. Искусственная шелковая железа воспроизводит сложную молекулярную структуру шелка, имитируя разные химические и физические изменения, которые естественным путем происходят в шелковой железе паука.
Такая экологическая инновация стала большим шагом на пути к устойчивому развитию, которая может оказать влияние на многие отрасли. Исследование, проведенное Кейджи Нуматой из Центра наук об устойчивых ресурсах RIKEN в Японии совместно с коллегами из Инновационного исследовательского кластера RIKEN, обнародовано в издании Nature Communications.
Паучий шелк, известный своей гибкостью, легкостью и прочностью, имеет прочность на разрыв, которая сравнима со сталью того же диаметра, а по соотношению прочности и веса не имеет себе равных. Он также биосовместим, то есть его можно применять в медицинских целях, а также он биоразлагаем. Тогда почему же все не сделано из паучьего шелка? Крупномасштабный сбор паучьего шелка стал непрактичным по разным причинам, поэтому ученые разработали способ его производства в лаборатории.
Паучий шелк является биополимерным волокном, которое состоит из крупных белков с часто повторяющимися последовательностями, которые называются спидроинами. Внутри шелковых волокон находятся молекулярные структуры, называемые бета-листами. которые нужно правильно выровнять, чтобы шелковые волокна обрели свои особенные механические свойства. Реконструкция этой сложной молекулярной архитектуры долгие годы озадачивает ученых. Вместо того, чтобы пытаться разработать процесс с нуля, ученые RIKEN использовали биомиметический подход.
"В данной исследовании мы старали имитировать естественное производство паучьего шелка при помощи микрофлюидики, включающая в себя поток и манипулирование небольшими количествами жидкостей через узкие каналы", - отмечает Нумата.
Устройство, разработанное исследователями, выглядит как небольшая прямоугольная коробочка, в которой вырезаны крошечные каналы. Раствор-предшественник спидроина необходимо поместить на один конец, а затем перенести к другому концу, используя отрицательное давление.
Спидроины, проходящие через микрофлюидные каналы, претерпевают точные изменения в химической и физической среде, что становится возможным за счет конструкции микрофлюидной системы. При необходимых условиях белки самоогранизуются в шелковые волокна.
Исследователи провели эксперименты, чтобы найти подходящие условия, и, наконец, им удалось оптимизировать взаимодействие между различными областями микрофлюидной системы. К тому же они обнаружили, что применение силы для выталкивания белков не сработало. Только когда они применяли отрицательное давление для вытягивания раствора спидроина, собирались непрерывные шелковые волокна с правильным расположением бета-листов.
"Было удивительно, насколько надежной получилась микрофлюидная система после того, как были установлены и оптимизированы различные условия", - рассказывает Али Малай, один из соавторов статьи.
Возможность искусственно производить шелковые волокна при помощи такого метода может дать множество преимуществ. Это не только может помочь снизить негативное воздействие современного текстильного производства на окружающую среду, но биосовместимая и биоразлагаемая природа паучьего шелка делает его идеальным для биомедицинского применения, таких как искусственные связзки и шовный материал.
"В идеале мы намерены оказать реальное влияние. Чтобы это получилось, нам предстоит расширить нашу методологию производства волокон и сделать ее непрерывным процессом. Мы также собираемся оценивать качество нашего искусственного паучьего шелка, используя ряд показателей, и на основе этого вносить будущие улучшения", - подчеркивает Нумата.
