Паучий шелк известен своей прочностью, гибкостью и невесомостью, а его прочность на разрыв сравнима со сталью. Кроме того, он биосовместим и биоразлагаем, что делает его перспективным для медицинского применения.
Так почему же все не сделано из паучьего шелка? Крупномасштабный сбор шелка пауков оказался непрактичным по нескольким причинам, поэтому ученым пришлось разработать способ его производства в лаборатории.
Паучий шелк — это биополимерное волокно, состоящее из крупных белков с часто повторяющимися последовательностями, называемых спидроинами. Внутри шелковых волокон имеются молекулярные субструктуры, называемые бета-листами, которые необходимо правильно выровнять, чтобы шелковые волокна приобрели свои уникальные механические свойства. Воссоздание этой сложной молекулярной архитектуры уже много лет сбивает с толку ученых. Вместо того, чтобы пытаться разработать процесс с нуля, ученые применили подход биомимикрии.
Исследование, проведенное Кейджи Нуматой из Центра наук об устойчивых ресурсах RIKEN в Японии вместе с коллегами из Кластера новаторских исследований RIKEN, было опубликовано в журнале Nature Communications.
Как объясняет Нумата: «В этом исследовании мы попытались имитировать естественное производство паучьего шелка с помощью микрофлюидики, которая включает в себя поток и манипулирование небольшими количествами жидкостей через узкие каналы. Действительно, можно сказать, что шелковая железа паука функционирует как своего рода естественное микрофлюидное устройство».
Разработанное исследователями устройство выглядит как небольшая прямоугольная коробка с прорезанными в ней крошечными каналами. Раствор-предшественник спидроина помещают на один конец, а затем подтягивают к другому концу с помощью отрицательного давления. Когда спидроины проходят через микрофлюидные каналы, они подвергаются точным изменениям в химической и физической среде , что становится возможным благодаря конструкции микрофлюидной системы.
При правильных условиях белки самоорганизуются в шелковые волокна с характерной сложной структурой. Исследователи экспериментировали, чтобы найти эти правильные условия, и в конечном итоге смогли оптимизировать взаимодействие между различными областями микрофлюидной системы. Методика оказалась эффективной, быстрой и легко воспроизводимой.
Эта возможность искусственного производства шелковых волокон приносит не только выгоды для окружающей среды, снижая воздействие текстильной промышленности, но и открывает перспективы для биомедицинских применений, таких как создание швов и искусственных связок.
