Крепкий, как сталь, и более прочный, чем кевлар, шелк паука - один из самых впечатляющих материалов природы, но, как мы не старались, мы просто не смогли его использовать для собственного нужд в практическом промышленном масштабе. Большинство синтетических версий созданы наспех и оказались не на высоте, но исследователи из Вашингтонского университета в Сент-Луисе теперь разработали бактерии для реального производства биосинтетического шелка, который, как они говорят, также хорош как и настоящий натуральный шелк паука.
Фермерские пауки могут показаться очевидным способом получить шелк, но паукообразные просто недостаточно эффективны, чтобы сделать этот процесс жизнеспособным к промышленному масштабу. Синтетические версии были созданы в прошлом путем внедрения шелкопроизводящих генов от пауков в червей, коз и бактерии, но у них были проблемы по сравнению с чудотворным природным материалом.
Для нового исследования исследователи пошли по пути бактерий, но по пути они пытались сделать шелк сильнее на молекулярном уровне. Ключ, говорит команда, находится в белках, которые сливаются вместе, чтобы сформировать пряди. Этот процесс обусловлен специфически повторяющейся последовательностью ДНК, и чем больше раз повторяется последовательность, тем больше белок и тем крепче получается полученный шелк.
Было обнаружено, что новый биосинтетический шелк паука с более крупными белками соответствует натуральному материалу в нескольких ключевых показателях. Фото: Christopher Bowen
Звучит как простой рецепт, но первым препятствием, которое команда должна была преодолеть, был тот факт, что бактерии не могут обрабатывать последовательности, которые становятся слишком большими, и нарезают их на более мелкие кусочки. Чтобы справиться с этим, исследователи добавили новую короткую последовательность к шелковой ДНК. Это вызывает химическую реакцию между белками, позволяя им слиться вместе, чтобы создать больший белок.
Белковые цепи шелка, созданного командой, имеют массу биологических макромолекул 556 килодальтон (кДа, атомная единица измерения). Это длиннее, чем белки натурального шелка паука, которые обычно имеют 370 кДа и почти в два раза больше, чем другие белки из биосинтетического белка паука, которые составляют около 285 кДа.
Чтобы протестировать материал, команда затем превратила эти более крупные белки в волокна, которые имели размер примерно одну десятую диаметра человеческого волоса. Исследователи сообщают, что материал был в состоянии соответствовать натуральному шелку паука с точки зрения прочности на растяжение, ударной вязкости, растяжимости и устойчивости к деформации.
Микроскопическое изображение нити нового биосинтетического шелка паука. Фото: Christopher Bowen
Ученые говорят, что исследование предполагает, что ключом к созданию более крепких волокон шелка является выяснение того, как сделать еще более крупные белки. Наряду с этой целью команда планирует исследовать, как производить свой шелк в практических масштабах.
«Мы продолжим работу над тем, чтобы сделать процесс более масштабируемым и экономичным, упростив его обработку, уменьшив количество необходимых химических веществ и повысив надежность и эффективность», - говорит Фучонг Чжан (Fuzhong Zhang), автор исследования .
Исследование было опубликовано в журнале Biomacromolecules.
Источник: New Atlas / Washington University in St. Louis
