Біологічна сталь
Група японських учених під керівництвом професора Токійського університету Сінсу Масао Нагакакі відкрила спосіб отримання з павутини особливого волокна, з якого можна виготовити тканини, придатні як для пошиття легкого верхнього одягу, так і для створення надміцного бронежилета.
Дослідники вбудували гени, відповідальні за виробництво павутиння в організмі павука, в хромосому шовкопряда. Після цієї маніпуляції шовкопряди стали виробляти волокно, що об'єднує властивості шовку і павутини. На перший погляд матеріал нічим не відрізняється від натурального шовку, проте він набагато міцніший і довговічніший. В принципі, за своїм амінокислотним складом павутина близька до шовку. А ось структура цих матеріалів різна, чим і пояснюються неповторні властивості павутини.
«За своїми характеристиками павутина є унікальним матеріалом, – розповів РБК daily доктор біологічних наук, член-кореспондент РАН, директор ДержНДІгенетика Володимир Дебабов. — Вона вп'ятеро міцніша і в сім разів легшала. Павутину можна розтягнути на 15%, і вона знову набуде вихідної форми. Такими властивостями не може похвалитися жоден штучний полімер».
Випробування механічних властивостей павутини за допомогою спеціального апарату Instron, що задає темп деформації та вимірювання навантаження, показали, що вона має високу розтяжність і витримує навантаження до 450 МПа, як і склопластик. Ці феноменальні властивості павутини пояснюються її підвищеною молекулярною рухливістю через молекул води, що входять до її складу, частка яких становить 60—70% волокна. Без водної складової вона стала б крихкою та ламкою. Павутина не розривається при ударі з енергією до 10 ГДж/м³ (енергія кулі), що робить її найміцнішим матеріалом із відомих людству. Наприклад, якщо створитипавутинну нитку діаметром 0,7-0,8 мм, то сітка з таких канатиків зможе зупинити літак, що летить.
Однак у природних умовах отримати нитку такої товщини неможливо. Ці комахи на відміну від шовкопрядів не можуть «працювати в колективі» (недарма існує вираз «павуки в банку»), і якщо два павуки виявляться на одній території, вони просто з'їдять одне одного. А в штучних умовах створити аналог павутиння ще складніше. Справа в тому, що павутина складається з двох білків, які мають дуже великі розміри (для порівняння: білок павутини більше молекули білка людського організму в сім разів), тому отримати його за допомогою генної інженерії непросто. Але вчені таки змогли за допомогою генної модифікації створити аналог павутиння.
Співробітники канадської компанії Nexia Biotechnologies з'ясували, що секреторні залози павуків, що виробляють білки павутини, подібні за своєю будовою до секреторних залоз кіз. Після чого дослідники впровадили в ДНК кози ген павука-кругопряда, який відповідає за кодування білків павутини. Через деякий час у молоці кози стали з'являтися павутинні білки. Створений із синтезованих білків матеріал, названий вченими «біосталь», узятий на замітку Пентагоном. «Сталева» павутина використовуватиметься у військовій промисловості для модифікації танків та бронежилетів. «Справді, п'ять років тому у Квебеку змогли отримати білок павутиння з модифікованого козячого молока. Однак цей концентрат виділяється у дуже малих кількостях і коштує приблизно 1000 дол. за грам», - додає Володимир Дебабов.
українські вчені працюють над створенням шовку павутиння, використовуючи мікроорганізми — дріжджі. «Дослідники з ДержНДІгенетика ізолювали гени павука та ввели їх у клітини особливих дріжджів, що ростуть на метанолі. І в цих клітинах відбуваєтьсяпроцес синтезу білків павутини, з яких згодом створюється нитка», - пояснив РБК daily доктор біологічних наук, заступник директора ДержНДІгенетика Олександр Яненко.
Але отримати білок павутиння — це лише півсправи. Виявляється, властивості цього матеріалу залежать не тільки від особливої природи павутиння, а й від способу плетіння ниток. Китайські вчені з'ясували, що якщо з шовкопряда витягувати нитку, створюючи сильний натяг, то отримане волокно буде вдвічі міцнішим за звичайний. Павук же плете свої мережі зовсім особливим способом, і поки що ніхто не може повторити це мистецтво.
«Будь-які штучні аналоги павутиння, що існують на сьогоднішній день, поступаються природному зразку», — резюмує Володимир Дебабов. Незважаючи на це, вчені не впадають у відчай і роблять постійні спроби створити «ідеальну» павутину. Так, міжнародна група дослідників з Єврейського університету в Єрусалимі, фахівців Мюнхенського університету та Оксфорда слідом за канадцями використовувала методи генної інженерії для створення волокон павутиння, майже ідентичних натуральним. Вчені виділили гени садового павука, що кодують білки канатного шовку. Сформовані з цих білків волокна виявилися в шість разів міцнішими за нейлон і не поступаються йому в еластичності. Можливість створення штучного павутиння у промислових масштабах відкриє для вчених нові можливості. Використання найміцніших і найтонших волокон дозволить створити надлегкі бронежилети, мікропровідники, канати для страхування, оптичні волокна і навіть «павутинну» зубну нитку, ідею якої вже запатентували в Ізраїлі. Але пріоритетним напрямком застосування павутиння стане, звісно, медицина.
«Павутину можна трансплантувати до місць переломів або інших серйозних пошкоджень і використовувати як каркас, наякий нарощуватиметься нова тканина, — пояснив Олександр Яненко. — Оскільки тканина павутини сумісна з тканинами людського організму, вона не викликатиме відторгнення». А висока екологічність цього біоматеріалу, який легко розкладається мікроорганізмами, робить проекти створення павутиння в промислових масштабах одними з найбільш перспективних напрямків сучасної біоінженерії.