Будущее за шелком из паутины: история материала, который учились производить тысячи лет. Мадагаскарцы создали самое большое полотно из паучьего шёлка Из истории создания паучьего шёлка

Технология, разработанная около ста лет назад французским проповедником, позволила собрать с миллиона мадагаскарских пауков золотистую паутину. Британский историк и американский бизнесмен пустили её на создание самой большой в мире «скатерти» из паучьего шёлка. Редчайший рукодельный шедевр будет выставлен в США и Великобритании.

Искусствовед Саймон Пирс (Simon Peers) и его американский партнёр по бизнесу Николас Гудли (Nicholas Godley) наняли для работы несколько десятков рабочих, которые создали уникальное полотно размером 3,4 на 1,2 метра.

Поставщиками «ниток» стал миллион пауков-кругопрядов (golden orb spider), принадлежащих к роду Nephila . На изготовление куска, пожалуй, самой необычной ткани учёный и предприниматель потратили почти пять лет жизни и около $500 тысяч.

Гудли, американская актриса Хизер Грэм (Heather Graham) и Пирс на открытии выставки в AMNH 23 сентября нынешнего года (было приглашено большое количество и других именитых гостей). В руках у них, конечно же, обычный платок (фото Will Ragozzino).

Гудли впервые приехал на Мадагаскар в 1994 году, где создал небольшую компанию по производству товаров из волокон пальмы рода Raphia . В 1999-м Николас выпустил свою первую коллекцию модных сумок (видимо, из того же материала), а в 2005-м закрыл фабрику и полностью переключился на производство «паучьей ткани» вместе с Пирсом.

Мадагаскарский золотой паук-кругопряд лишь один из 36 видов рода Nephila . Эти пауки водятся в тропиках и известны тем, что плетут крупные золотистые сети (фото AMNH, JohnnyK /Picasa Web).

На создание необычного полотна Гудли вдохновили рассказы о том, как в XIX веке нечто подобное попытался сделать французский управляющий одной из мадагаскарских провинций. Однако Николасу не было доподлинно известно, являются эти рассказы правдой или вымыслом.

Некоторые пауки в ходе эксперимента умирали собственной смертью, но большинство всё же были выпущены на свободу. «Мы, сами того не зная, стали защитниками этих существ, и я очень рад, так как считаю их достойными королевских регалий», – говорит Гудли (фото ppoggio2 /flickr.com).

Вообще-то паучий шёлк не пользуется особой популярностью у жителей Мадагаскара (оно и понятно, ведь «стандартного» тутового шелкопряда выращивать гораздо легче). Однако в XIX веке подданные королевства Мерина (Merina Kingdom) всё же решались работать с ним. Изделия из паутины преподносились членам королевских семей. Появилась даже особая традиция сплетения нитей.

Первым машину для получения шёлка от 24 пауков создал французский проповедник Жакоб Поль Камбуе (Jacob Paul Camboué), который работал с ними в 80-90-х годах XIX века. Однако от его работы не осталось никаких кусков ткани (фото AMNH).

Работа Пирса и Гудли началась с того, что они наняли 70 рабочих собирать близ столицы Мадагаскара Антананариву (Antananarivo) паучих вида Nephila madagascariensis .

Только женские особи создают уникальную в своём роде прочную паутину с золотистым оттенком. Сбор проходил во время сезона дождей, так как членистоногие плодят свои сети только в это время года (что накладывает дополнительные ограничения на процесс производства полотна).

Паучихи часто располагают свои дома меж телефонных и электрических проводов. Иногда паутины вырастают до таких гигантских размеров, что с лёгкостью перекрывают однополосную дорогу (фото Tasumi1968 /flickr.com).

Чтобы создать некое подобие прядильной фабрики, пауков поместили в специальные камеры, где их держали в неподвижном состоянии. Надо сказать, что Nephila madagascariensis не ядовитые, но кусачие. Кроме того, они могут сбежать или поесть друг друга. «Поначалу мы имели 20 женских особей, но вскорости всё заканчивалось тремя, правда, очень толстыми», – рассказывает Пирс.

Так что в конце концов беспокойных тварей изолировали друг от друга, одновременно нарастив количество одновременно обитающих на фабрике особей.

Кстати, «конкурентами» нынешнего шедевра можно считать разве что те два кусочка «паучьей ткани», что хранятся в одном из музеев Лиона. Однако каждый из них в ширину не превышает нескольких сантиметров (фото AMNH и с сайта dailymail.co.uk).

Десять рабочих собирали паутину, свисающую из прядильных органов паучих. С одной особи таким образом можно было получить около 25 метров драгоценного материала.

Пирс отмечает, что четырнадцать тысяч пауков дают примерно 28 граммов паучьего шёлка, а общий вес конечного куска ткани составил аж 1180 граммов!

Хотите узнать, какая ткань самая дорогая в мире, ценой около 1 млн. долларов за 2 кв. м? Это материал изумительной красоты, непревзойдённых качественных характеристик. Элитный, сверх дорогой, сверхпрочный и просто восхитительный эстетически – это он, самый дорогой в мире шёлк, созданный... пауками.

Из истории создания паучьего шёлка

Эта история не нова, ткань из паутины производили в Китае в очень древние времена. Конечно, столь дорогие предметы одежды из паутины могли себе позволить только очень состоятельные люди, поскольку для изготовления даже небольшого отреза паучьей ткани нужны были огромные трудовые и временные затраты.

Ещё в XVIII веке европейцы испытали способ ткачества ткани из паутины. В качестве производителя такой нити был предложен паук-крестовик. Для производства чуть более 400 грамм пряжи пришлось уничтожить около семи сотен пауков.

Попытка человека во что бы то ни стало взлететь вернула научный мир к вопросу производства прочной паучьей ткани в начале ХIХ века. Тогда для изготовления воздушного шара была предпринята попытка добывать паучий шёлк у большого мадагаскарского паука. Точных сведений об исходе этого эксперимента не сохранилось, но то, что это очень дорого и по человеческим, и по природным ресурсам, было понятно всем.

Разводить пауков с целью производства самой дорогой элитной ткани не стали. Оказалось, что эти членистоногие не приживаются во многих природных условиях из-за несоответствия влажности, температурных показателей, сезонной цикличности.

Платье и скатерть из паутины

Начало XXI века ознаменовалось новыми попытками получения шёлка из паутины.

В 2005 году Николас Гудли и Саймон Пирс, занимающиеся на Мадагаскаре бизнесом, закрыли свою фабрику по производству сумок из пальмовых волокон и занялись изготовлением шёлка из нити пауков-кругопрядов.

Первым действительно настоящим произведением искусства стала золотая скатерть из паучьего шёлка, украшенная местным национальным орнаментом. Стоит заметить, что столь роскошный оттенок ткани обеспечил естественный цвет паутины этого вида пауков.

На материал для создания уникальной скатерти размерами 3,4 х 1,2 м была использована паутина миллиона пауков. Интересный факт: 15 000 пауков могут дать лишь 30 г паучьих нитей. А полотно из паучьего шёлка от Пирса и Гудли весит 1180 г. И самая необычная и самая дорогая в мире ткань изумительного золотого цвета по себестоимости обошлась бизнесменам в полмиллиона долларов и в пять лет жизни.

Но сегодня в мире насчитывается уже два таких шедевра. Вторым стало уникальное платье-накидка, впервые представленное на суд публики в британском музее Виктории и Альберта в 2012 году. Надевалось оно лишь раз - для фотосессии. На производство столь элитного и восхитительного наряда было затрачено четыре года и нити миллионов пауков-кругопрядов.

Сверхпрочный паучий шёлк - современный подход

Выводы, сделанные из дорогих экспериментов по использованию паучьего шёлка, пришлись впору современным учёным. Ведь паучья нить обладает поистине уникальными качествами, а создаётся пауками так легко. Внимательно изучив состав и процесс выработки паутины, они уже сориентировались в том, как белок, молекулы которого соединены между собой при помощи воды, через короткое время превращается в прочнейшую нить, которую вода уже не может растворить.

Раскрыв секрет такого явления, сегодня учёные получили ответ на главный вопрос - можно ли делать паучий шёлк синтетическим путем. И уже готовы использовать это открытие в разных сферах деятельности.

Одежда из паучьего шёлка - новинка 2016

Изготовление шёлковых нитей паутины без участия пауков, даёт новые возможности использования паучьего шёлка в создании одежды.

Не так давно компания Spiber (Япония) совместно с одним из ведущих производителей спортивной одежды представила куртку, изготовленную из ткани, являющейся синтетическим аналогом паучьего шёлка.

Это первый образец одежды из белка искусственного происхождения. Начало продаж Moon Parka анонсировано на конец 2016 года. Вопрос о хотя бы ориентировочной стоимости такого изделия остается открытым. Но то, что это будет по карману только очень богатым покупателям (на первых порах – несомненно), понимают все.

Паучий шёлк – это очень дорого, оригинально, изумительно красиво. Однако, пока производство паучьего шёлка не дошло до промышленного масштаба, купите не менее респектабельные и восхитительные во всех отношениях вещи из натурального шёлка!

Офицеры американской армии и полицейские в защитных целях носят тяжелые несгибаемые бронежилеты, способные обеспечить достаточный уровень защиты. Однако шелк мадагаскарского паука в 10 раз крепче кевлара, материала, использующегося в большинстве бронежилетов.

Если бы можно было изобрести способ производства паучьего шелка в промышленном масштабе, тогда бы бронежилеты изготавливались из легковесного сверхпрочного материала, способного надежно защитить тело от пуль и шрапнели.

По прошествии нескольких десятилетий с того момента когда были проведены первые опыты в этой области, у ученых есть, наконец-то, реальная возможность найти способ изготовить защитный бронежилет из шелка паука.

Помимо того, что такая идея выглядит весьма инновационной, это еще и подразумевает, что солдаты и офицеры полиции будет экипированы ультралегкими гибкими и сверхпрочными бронежилетами, способными эффективно противостоять пулям, попадающим в корпус тела. Сейчас американские солдаты носят тяжелые громоздкие, стесняющие движения средства защиты. Обычно это крайне тяжелые жилеты с, как минимум, двумя керамическими пластинами, призванными защитить от осколков гранат и пуль верхнюю часть тела военнослужащего.

Принцип действия сплошной брони заключается в том, что сила противодействия ее поверхности равносильна силе удара пули. Однако чем большую защиту предоставляет броня, тем тяжелее и неудобнее будет жилет. Самый легкий бронежилет способен защитить лишь от снаряда мелкого калибра, сила удара которого сравнительно низка. Уровень защиты сплошной брони может быть увеличен посредством добавления дополнительных защитных пластин.

Несмотря на то, что личные средства защиты очень важны, тем не менее, в инструкциях для полицейских довольно часто появляются напоминания о том, что офицер без бронежилета в 14 раз чаще рискует погибнуть от выстрела. Полицейским приходится выбирать между маневренностью, свободой в движениях и возможностью быть сраженным пулей.

Солдаты, находясь в зонах военных действий, ежедневно ходят в бронежилетах, полицейские же в менее рисковых ситуациях часто предпочитают удобство и легковесность брони средней степени защищенности. Пуля, столкнувшись с поверхностью бронежилета, оставляет на теле так называемую запреградную травму, распределяя силу удара по все плоскости тела, вследствие чего она не фокусируется в одной точке. Мягкая тканевая бронезащита замедляет полет пули или шрапнели благодаря наличию нескольких слоев, либо переплетенных волокон, которые действуют, на манер рыболовецкой сети, паутины паука.

Легковесная гибкая броня с высоким уровнем защищенности, присущим бронежилетам солдат спецвойск, до недавнего времени была только мечтой.

Считается, что ткань кевлара для мягкой бронезащиты, выпускаемая компанией DuPont, в пять раз прочнее стали, такой материал широко используется полицейскими. Однако прочность шелка паука все-таки выше его искусственных аналогов, и на протяжении нескольких десятилетий ученые предпринимали попытки создать броню в стиле человека паука.

Виток за витком исследователи пытаются собрать паучью паутину, которая легче по весу и в то же время в три раза эластичнее кевлара, но и в пять раз прочнее промышленной стали. Несмотря на размер и вес, шелк паука обладает природными способностями противостоять мощной силе удара.

В прошлом году группа немецких ученых из Гейдельбергского института теоретических наук проводили исследования с целью определить составные части того механизма, благодаря которому паучий шелк становится столь крепким. Есть два ключевых этапа производства ткани из шелка паука: мягкий вязкий гель, вначале содержится в брюшной полости паука, затем он превращается в очень прочную нить, когда гель выходит из тела паука. Результаты исследования, опубликованные на страницах Biophysical Journal, указывают на то, что компоненты, которые придают шелку эластичность, также способствуют тому, что нить становится чрезвычайно крепкой. И хотя использование в своих целях свойств шелка паука на первый взгляд не представляется посильной задачей, тем не менее, заветная цель все еще весьма далека, и на пути к ней не обходится без серьезных затруднений.

Среди вызовов, стоящих перед учеными, называют необходимость определить геном идеального шелка паука, а также найти способ, который бы позволил синтезировать белковый элемент, производящий шелк, а также следует определить метод производства такого белкового элемента в необходимых количествах.

В течение довольно длительного времени предметом исследования был представитель наиболее опасных паукообразных - черна вдова, чья паутина является исходным материалом брони, прочность которой выше кевлара и стали.

Однако при разведении пауков исследователи столкнулись с одной проблемой: пауки не могли ужиться друг с другом и беспрерывно враждовали, не производя достаточного количества материала. В 2007 году ученые из Университета Калифорнии объявили о том, что они раскрыли тайну генома шелка черной вдовы и в дальнейшем намеревались ввести искусственно созданные гены в томатные растения, что, по их мнению, могло привести к тому, что томаты производили бы шелк пауков.

Растения томатов, зерновые, бактерии, дрожжи и даже козы - все эти средства, наряду с техническими средствами, в определенное время использовались в попытке трансформировать гель пауков в твердые нити.

Тутовые шелкопряды производят тонкий шелк, но у них имеется огромный природный потенциал произвести до одного километра шелка за несколько дней. В 1999 году таиландский Технологический Институт Раджамангала сообщил, что был создан бронежилет, в котором использовалась обычная паутина, для производства которой не требуется больших затрат. Во время испытаний 16 слоев шелка были способны остановить 9-миллиметровую пулю, и жилеты, изготовленные из такого материала, успешно обеспечивали защиту от выстрелов, произведенных из оружия калибра.22.

Авторами недавнего достижения в этой сфере являются представители Университета Вайоминга, результаты их исследования появились на страницах издания «Proceedings of the National Academy of Sciences». Согласно опубликованной информации, исследователям удалось преуспеть по части генетического модифицирования тутовых шелкопрядов, которое было предпринято с целью разработки микса шелка червя и паука, который был бы столь же крепок, что и шелк паука.

Есть мнение, что Святой Грааль бронежилета из паучьего шелка удастся найти тогда, когда будет раскрыта тайна генома мадагаскарского паука, чья паутина, как считается, в 10 раз крепче, чем кевлар, такое открытие позволило бы построить заводы по производству шелка. Шелк мадагаскарского паука считается самым прочным материалом, который существует на планете, он в 100 раз крепче любого другого шелка.

Этот паук был обнаружен на Мадагаскаре в прошлом году, диаметр окружности его паутина может достигать 25 метров, такой материал чрезвычайно эластичен и его способность противостоять силе удара пули в три раза превышает аналогичный показатель кевлара.

Парашюты, воздушные подушки, спортивная одежда, рыбацкие сети - список потенциально возможного применения шелка паука можно продолжить.

На данный момент проводятся исследования на предмет его использования в медицинских целях - в хирургических нитках для швов, прочных искусственных сухожилиях и связках, а также в качестве дополнительных соединений для восстановления нервных тканей, в которых используется упругость шелка.

Резюмирую все известные на данный момент сведения о шелке мадагаскарского паука, можно сказать о том, что применение такого материала в полицейских бронежилетах станет революцией в сфере экипировки представителей правоохранительных органов.

Мне бы только
мой крошечный вклад внести,
За короткую жизнь сплести
Хотя бы ниточку шелка...
Флёр

В эти осенние дни, погнавшись в лесу за неосторожным грибом, мы вполне можем попасть в ловчие сети паука. Конечно, эти сети нас не удержат, мы разрушим ажурное плетение - плод труда арахнида и, стряхивая паутину с лица, рук или одежды, недовольно скажем что-нибудь вроде: «Понавешали тут сетей». Вместе с тем, наверное, стоит удивиться эволюции, создавшей паука и его паутину - прочную и эластичную. Это настолько удачный материал, что уже сейчас его начинают применять люди, и не только в трансплантационной медицине, - из нее даже делают спортивную обувь. Компании, производящие тонны паутины (точнее, белков, входящих в ее состав), растут как грибы.

Самая прочная среди эластичных

Волокна паутины отличаются исключительными механофизическими свойствами. Благодаря прочности на разрыв и упругости они могут поглощать много энергии, не разрушаясь. Если взять одинаковые по массе образцы белка паутины и синтетического арамида - кевларовых волокон, окажется, что кевлар до разрушения сможет поглотить в три раза меньше энергии. В составе фибриллярного белка паучьего шелка основные аминокислотные остатки - глицин, аланин и серин. Прочность и эластичность микрометровых каркасных нитей паутины (то есть радиальных, в отличие от менее прочных спиральных) объясняется тем, что внутри них есть жесткие белковые кристаллы размером в несколько нанометров, соединенные между собой эластичными пептидными связками. Предельное напряжение на разрыв каркасной нити обыкновенного крестовика Araneus diadematus - 1,1–2,7 ГПа. Для сравнения: предел прочности стали 0,4–1,5 ГПа, человеческого волоса - 0,25 ГПа. И обычный шелк уступает паучьему по этому показателю. Конечно, паутину нельзя назвать ни самым прочным, ни самым эластичным материалом, но эти свойства в ней идеально сбалансированы.

Еще 15–20 лет назад в мире существовало не более десяти исследовательских групп, изучавших свойства белков паутины и особенности их образования. Сейчас таких команд уже несколько десятков, а практическое применение паутины в реальной жизни приближают три успешно работающие биотехнологические компании. Исследователи уже раскрыли, как пауки прядут паутину, установили особенности ее состава, и эти детали позволяют находить новые области применения паутины - от регенерации нервной ткани до способов упаковки потребительских товаров и разработки новых клеевых составов. Медиков паучий шелк привлекает не только идеальным сочетанием прочности и эластичности, но и тем, что практически не вызывает иммунного ответа. Белки паутины применяются и в биохимических лабораториях - их цепочки можно модифицировать низкомолекулярными соединениями, придавая белкам особые свойства.

Основные компании, ведущие разработки в этой области и уже производящие продукт, - образованные в 2008–2009 годах немецкая AMSilk , японская Spiber и американская (калифорнийская) Bolt Threads . Обычно от появления новой химической компании, создающей принципиально новые химические продукты, до их выхода на рынок и начала продаж проходит намного больше времени.

От косметики до хирургии

Арахнофобы могут не беспокоиться. Предприятия по производству искусственной паутины непохожи на паучьи фермы, там вообще нет пауков и прочих членистоногих. Вместо них «плетением паутины» занимаются трансгенные организмы, которые содержат гены, управляющие экспрессией белков паутины, главным образом бактерии и дрожжевые грибки. Хотя шелк паутины производят и организмы, от которых этого никак не ожидаешь; например, существует стадо генетически модифицированных коз в полсотни голов, которые дают молоко с белками паучьего шелка. Из одного литра молока такой козы можно выделить до 4 граммов этих белков; впрочем, бактерии и грибки оказались более эффективными «эрзац-пауками».

Например, компания AMSilk применяет генно-модифицированные версии E. coli . Бактерий выращивают в больших чанах для ферментации, затем клетки разрушают и выделяют белок паучьего шелка в виде белого порошка, который затем может быть гранулирован, превращен в гидрогель или в волокна, - производители биосинтетической паутины реализуют свою продукцию во всех трех формах.

Одно из направлений деятельности AMSilk - косметические средства Silkbeads и Silkgel с белками паучьего шелка, которые обеспечивают коже дышащую защиту от бактерий и вредных веществ в окружающей среде. Биосинтетический паучий шелк часто рекламируют как «веганский шелк» - специально для тех, кто считает неприемлемым убийство окуклившихся гусениц тутового шелкопряда (видимо то, что для получения биосинтетической паутины приходится умерщвлять E. coli , не ввергает веганов в тоску).

Для косметологов биосинтетическая паутина хороша тем, что ее белки не вызывают иммунного ответа и на их поверхности плохо растут и размножаются бактерии. Еще важнее эти свойства для биомедицины, а обусловлены они первичной структурой белков. Волокна шелка паутины состоят из спидроиновых белков, которые содержат повторяющиеся пептидные последовательности, обрамленные неповторяющимися, индивидуальными доменами, более половины аминокислотных остатков в которых приходится на глицин. Возможно, именно высокое содержание глициновых остатков во внешних доменах спидроинов (остальные аминокислотные остатки находятся внутри структуры белков паутины) и делает паучий шелк биосовместимым. Дело в том, что глицин - самая маленькая аминокислота, ее боковая группа, не участвующая в образовании белковой цепочки, состоит из одного атома водорода, и это снижает вероятность участия остатков глицина в химических реакциях и межмолекулярных взаимодействиях. Именно поэтому клетки не могут связываться со спидроинами, и поэтому биотехнологический паучий шелк наносят на поверхность медицинских устройств, чтобы спидроины обеспечивали им биологическую защиту.

Исследователи из AMSilk сообщают об экспериментах, в которых белки паучьего шелка наносили на катетеры из полиуретана, полистирола, полиэтилена, а также на металлы и керамику для имплантатов. Оказалось, что такое покрытие обеспечивает хорошую антибактериальную защиту и снижает риск осложнений при использовании полисилоксановых (силиконовых) имплантатов (Philip H. Zeplin et al. Spider Silk Coatings as a Bioshield to Reduce Periprosthetic Fibrous Capsule Formation // Advanced Funcional Materials , 2014, 24, 2658–2666; doi: 10.1002/adfm.201302813 ). На покрытии из биотехнологической паутины бактериальные биопленки растут хуже, чем на тефлоне и стали.

Выращивание биологических тканей

Тезка японской компании Spiber - шведская Spiber Technologies еще не может похвастаться продуктами, выведенными на рынок, она находится на стадии опытно-конструкторских разработок и получает белки только в граммовых количествах. Биотехнологи этой компании ввели E. coli лишь часть гена, ответственного за выработку спидроинов, так что бактерии вырабатывают белки размерами около одной десятой от длины нативных белков паучьего шелка. Из этих белков собираются изготавливать сетчатые или пористые каркасы для направленного выращивания стволовых клеток, реконструкции костной ткани и заживления ран. В подобных матрицах уже успешно культивировали клетки млекопитающих. Недавно шведские исследователи модифицировали свои «строительные леса» из шелка, придав им мотив связывания, характерный для гликопротеида фибронектина, и обнаружили, что с таким модифицированным шаблоном клетки кожи связываются эффективнее (Widhe M. et al. A fibronectin mimetic motif improves integrin mediated cell biding to recombinant spider silk matrices // Biomaterials , 2016, 74, 256–266; doi: 10.1016/j.biomaterials.2015.10.013 ).

Обычно клетки культивируют на плоской поверхности, однако для выращивания большинства органов и тканей необходимы объемные каркасы. Трехмерные пористые системы из укороченных спидроинов с внедренными в них активаторами роста клеток имитируют матрикс ткани и «обманывают» клетки, заставляя их расти в нужном направлении.

Например, исследователи учатся выращивать таким способом небольшие участки ткани поджелудочной железы, необходимые для лечения диабета. Матрицы из паучьего шелка in vitro могут поддерживать стабильность колоний клеток поджелудочной железы человека в течение трех месяцев (Johansson U. et al. Pancreatic Islet Survival and Engraftment Is Promoted by Culture on Functionalized Spider Silk Matrices // PLoS One , 2015, 10, e0130169; doi: 10.1371/journal.pone.0130169 ). Трехмерная матрица не только обеспечивала жизнеспособность клеток, но и способствовала тому, что они реагировали на стимуляцию глюкозой, вырабатывая инсулин. Со временем ткань увеличивалась в объемах, и в ней формировалось больше сосудов (Shalaly N. D. et al. Silk matrices promote formation of insulin-secreting islet-like clusters // Biomaterials , 2016, 90, 50–61, doi: 10.1016/j.biomaterials.2016.03.006 ), что повышает шансы на успешную трансплантацию.

Работающая в сотрудничестве со Spiber лаборатория Анны Ризинг из Королевского Каролинского университета Швеции использует модель ex vivo для изучения особенностей регенерации ткани спинного мозга в присутствии паучьего шелка. Исследования показали, что ткань периферического нерва овцы успешно росла на направляющих из паучьего шелка (Widhe M. et al. Invited review current progress and limitations of spider silk for biomedical applications // Biopolymers , 2012, 97, 6, 468–478, doi: 10.1002/bip.21715; Rising A. Controlled assembly: a prerequisite for the use of recombinant spider silk in regenerative medicine? // Acta Biomaterialia , 2014, 10, 4, 1627–1631, doi: 10.1016/j.actbio.2013.09.030 ).

Подражая природе

Паук прядет паутину с помощью специальных паутинных желез - нити образуются из высококонцентрированного раствора белка, из этого раствора самка паука может свить до семи типов волокон. Недавно в лаборатории Ризинг получили рекомбинантные белки паучьего шелка, которые имеют не только аналогичные натуральным белкам повторяющиеся последовательности, но также N- и С-концы, характерные для паучьего спидроина (Andersson M. et al. Silk Spinning in Silkworms and Spiders // International Journal of Molecular Sciences , 2016, 17, 8, pii: E1290. doi: 10.3390/ijms17081290 ). В настоящее время N- и С-концы большей части биотехнологических спидроинов не такие, как у природных, а между тем ряд ученых, например Томас Шайбель из Байройтского университета, считают, что именно начало и конец цепи критически важны для образования прочных волокон из водного раствора (Schacht K. et al. Biofabrication of cell-loaded 3D spider silk constructs // Angewandte Chemie Int. Ed. , 2015, 54, 2816–2820; doi: 10.1002/anie.201409846 ).

В настоящее время большинство лабораторных способов, позволяющих превратить белки паучьего шелка в волокна, основаны на применении гексафторизопропанола - токсичного растворителя, который не только опасен, но еще может медленно разрушать белки и имеет высокую себестоимость. Все это исключает возможность его промышленного применения. Недавно был опубликован метод, позволяющий растворять спидроины в чистой воде и получать из них волокно (Jones J. A. et al. More Than Just Fibers: An Aqueous Method for the Production of Innovative Recombinant Spider Silk Protein Materials // Biomacromolecules , 2015, 16, 1418–1425; doi: 10.1021/acs.biomac.5b00226 ). Раствор для прядения волокон можно сделать с помощью микроволновой печи, предполагается, что растворение обеспечивается воздействием температуры и давления. Компании, разрабатывающие методы прядения волокон из паучьего шелка, придумывают свои подходы, которые не публикуют в открытой печати, но и они предпочитают тянуть искусственную паутину из водного раствора, минимизируя применение дорогих и опасных растворителей.

Лабораторный протокол обработки биотехнологического паучьего шелка предполагает процедуру осаждения-высаливания белков, причем они денатурируют. Затем осажденный и денатурированный белок формируют в волокнистую структуру из суспензии в водно-спиртовом растворе. Отдельные волокна можно свить в нити, содержащие от восьми до двадцати четырех жил, - такие нити уже подходят для практического применения. Но компаниям необязательно прясть паутину - для нанесения покрытий проще использовать биотехнологические спидроины в виде порошка или гидрогеля. Подсчитано, что килограмма паутинных белков хватит на антибактериальные и антикоагулирующие покрытия для нескольких миллионов (от одного до десяти - зависит от размера) катетеров. Есть надежда, что к концу 2017 года такое медицинское оборудование закончат тестировать на животных, в ближайшие 5 лет некоторые его образцы пройдут сертификацию Управления по контролю продуктов питания и лекарственных средств США (FDA) и начнут применяться в клинической практике.

Костюм Спайдермена

Искусственные спидроины применяют не только в биомедицине. Уже упоминалось, что прочность паучьего шелка на разрыв выше, чем у кевлара, но, увы, способность эластично деформироваться в ответ на механическую нагрузку не позволяет рассматривать чистые спидроины в качестве материала для «натуральных» бронежилетов. Пулю бронежилет из паучьего шелка поймает и остановит, но к тому моменту она, скорее всего, выйдет из туловища или застрянет во внутренних органах вместе с «бронежилетом». Преимущество арамидных волокон, из которых делают кевлар, состоит как раз в том, что они не деформируются. Тем не менее композиты спидроинов с арамидами или углеволокном вполне подходят для изготовления гибких и прочных конструкционных элементов автомобилей или беспилотных летательных аппаратов. Существуют композиции рекомбинированного паучьего шелка с керамическими наночастицами, которые могут блокировать газы и пары воды, получаются идеальные материалы для упаковки пищевых продуктов (Doblhofer E. Structural Insights into Water-Based Spider Silk Protein - Nanoclay Composites with Excellent Gas and Water Vapor Barrier Properties // ACS Applied Materials and Interfaces , 2016, 8, 25535–25543; doi: 10.1021/acsami.6b08287 ). В их производстве не используются токсичные вещества, белки растворяют в воде, а сам композит прозрачен и биоразлагаем.

Еще одно важное преимущество паучьего шелка - он не плавится. Поэтому текстиль из паучьих нитей, натуральных или полученных биотехнологически, интересует создателей армейской экипировки. Под воздействием высоких температур, например вспышек светошумовых и боевых гранат, нейлоновые ремешки каски и других элементов одежды современных солдат могут расплавиться, а то и приплавиться к коже, причинив серьезные ожоги. Волокна и текстильные изделия из искусственной паутины просто обугливаются, что снижает риск дополнительного температурного воздействия на кожу - именно это и интересует военных, готовых платить больше для обеспечения безопасности личного состава. Пока что стоимость биосинтетической паутины высока, и среди одежды доступной ценовой категории вряд ли в ближайшее время можно будет найти вещь с ярлычком «spider silk» (товары с AliExpress не в счет, о них производители могут написать что угодно). Однако две компании все же рискнули вывести на рынок одежду из биотехнологических спидроинов.

Так, в сентябре 2015 года компания по производству спортивной одежды для активного отдыха The North Face начала рекламировать и испытывать куртку-штормовку из рекомбинированного паучьего шелка. Первые образцы обещают выпустить уже в этом, 2017 году. Они будут изготовлены из паучьего шелка от японской компании Spiber . Представители компании уверяют, что им удалось снизить затраты на производство спидроиновых волокон до ста долларов за килограмм. Однако чтобы ткани из синтетической паутины перестали быть уделом избранных, себестоимость производства пряжи должна стать хотя бы такой же, как у натурального шелка тутового шелкопряда (30–70 долларов за килограмм, в зависимости от качества). Компания Spiber надеется, что эта цель вполне достижима, ее конкуренты тоже так считают, разрабатывая все более дешевые технологии.

Так, уже упоминавшаяся немецкая компания AMSilk использует белки биосинтетического паучьего шелка для изготовления волокон под торговым названием Biosteel («Биосталь»). Руководство AMSilk уверено, что из этого волокна будут делать обувь и одежду, а также текстиль для отделки кресел автомобилей и самолетов. В 2014 году фирма «Адидас» представила линию спортивной тренировочной обуви, сделанной практически целиком (кроме подошвы) из волокон Biosteel .

Таким образом, липкая лесная паутинка прошла долгий путь, и теперь из нее плетут прочные сети новые химические компании, которые сумели наладить производство всем известного природного материала и нашли ему множество применений. Может быть, через десять лет производство биосинтетической паутины разовьется настолько, что мы будем спрашивать консультантов в магазине одежды, из какого именно натурального шелка эта кофточка - шелкопрядного или паучьего. Естественно, спидроины шелка будут и дальше оплетать своими сетями хирургию, регенеративную медицину, а также новые области, о которых мы пока и не подозреваем. Глядишь, появится приспособление, способное выстреливать нитью биосинтетической паутины, чтобы лазить по стенам или иммобилизовать недоброжелателей, - и, главное, делать это можно будет, не дожидаясь укуса радиоактивного паука-мутанта.