Нитка золотого павука-кругопряда міцніше кевлара
Властивості штучних матеріалів часом такі, що острах бере. Наприклад, тканину, сплетену з кевлара, ні ножа, ні звичайна куля не пробивають. Це синтетичне вуглецеве волокно знаходить широке застосування у виробництві бронежилетів і спортивного інвентарю, акустичних систем і компонентів авіаційної техніки. І тим дивніше, що нитка, яку тче маленький золотистий павук-кругопряд Nephila clavipes, не поступаючись в міцності кевлару, має перед ним суттєву перевагу: вона еластична, тобто здатна ефективно поглинати енергію (перш ніж порватися, нитка розтягується відсотків на тридцять).
Відео: Black Kevlar Gloves stainless steel wire resistace Gloves
Крім того, сировиною для кевлара є так звані петрохімікати, що дають токсичні відходи. У «екологічності» ж натуральних компонентів, з яких павук плете свої мережі, сумніватися не доводиться: органічні за своєю природою, вони, як і належить всьому живому, розкладаються мікроорганізмами.
Інженери охоче використовували б нитки кругопряда в якості альтернативи кевлару. Однак природний матеріал занадто дорогий. Павуки - НЕ тутового шовкопряда, розводити їх ніхто не береться: вони надзвичайно агресивні і не гребують канібалізмом. Крім того, павуки не дуже продуктивні: вони тчуть нитки хоч і постійно, але вже дуже повільно. Проте, всі ці труднощі не означають, що на матеріалах з павутини можна поставити хрест. На допомогу хімікам приходять біотехнологи.
Основа нитки павука-кругопряда - шовкові білки, які виробляються особливими залозами. Так, каркасну нитку, що представляє найбільший інтерес в плані її використання як біоматеріалу, складають білки спідроіна двох типів: перші створюють кристалічні комірки і надають їм міцність, другі формують «аморфну» неструктуровану матрицю і відповідають за еластичність. Як відомо, білки кодуються відповідними генами. В останні десять років ідентифіковано та виділено чимало білків. Зрозуміло, розшифрувати їх набагато простіше, ніж геном людини, але і тут мікробіологам не обійтися без потужної обчислювальної техніки. Тільки з розвитком біоінформатики і особливо комп`ютерного аналізу генома біотехнологи отримали необхідний матеріал для маніпуляцій зі спадковою інформацією павуків.
Ідея синтезу волокон полягає в тому, що гени павука, будучи вставлені в ДНК іншого живого організму, змушують його синтезувати молекули шовкового білка. Така операція була успішно проведена з бактеріями, колонії яких після генетичної модифікації вирощувалися в особливій живильному середовищі. Неможливість обійтися без цього середовища і стала головним недоліком методу: мікробів доводилося годувати дорогими амінокислотами - аланином, що становить кристалічну основу, і гліцином. Та й самі білки вийшли не зовсім повноцінними: бактерії виявилися занадто примітивними, щоб коректно переводити довгий ланцюжок чужого гена в відповідну білкову молекулу.
Спробу сконструювати організм, що виробляє шовкові білки, зробили і фахівці канадської біотехнологічної компанії Nexia. Звернувши увагу на подібність будови секреторних залоз павуків і ссавців, вчені вшили гени кругопряда в ДНК кози. Після операції білки в розчиненому вигляді з`явилися в її молоці, і тепер йде робота над тим, щоб їх виділити і концентрувати.
Самими ж перспективними визнаються експерименти з рослинами. Результати останнього з них були представлені Удо Конрадом (Udo Conrad) з німецького Інституту генетики рослин (IPK). Конрад, імплантованих гени кругопряда в геном картоплі і тютюну, домігся суттєвого зміни хімічного складу обох культур: на шовкові білки довелося до 2% всієї білкової маси рослин. За деякими оцінками, білки, отримані з допомогою трансгенних рослин, будуть в 2-10 разів дешевше, ніж синтезовані бактеріями.
Залишається, втім, невирішеною інша задача. Штучні шовкові білки легко розчиняються, причому нерівномірно: потрапляючи в воду, вони збиваються в грудки і перетворюються в неоднорідну напіврідку клейку масу. Тим часом павутина прекрасно переносить дощі. Так що інженерам-генетикам належить ще чимало попрацювати для того, щоб надати білкам нові властивості. Зараз йде робота і з уже наявними натуральним, і з штучним сировиною. Вчені намагаються повторити природний процес: адже залози павука теж виробляють білки в рідкому вигляді, але потім вони, проходячи через спеціальні трубчасті прядильні органи, зневоднюються і перетворюються в павутину нитка.
Свою техніку плетіння попередньо розчинених білків запатентував і такий гігант, як DuPont - відомий виробник кевлара. Однак представники компанії визнають, що справа ця занадто дороге, щоб можна було говорити про скільки-небудь масштабному виробництві штучних волокон. Пару місяців назад про початок спільного проекту заявили вже згадувані Nexia і IPK. Канадці нададуть свою базу даних секвенувати генів, а німці - порівняно дешеву технологію синтезу шовкових білків рослинами. Nexia, до слова, вже три роки співпрацює з американською і канадською арміями. Військові, зі зрозумілих причин, зацікавилися «біосталью» - так Nexia назвала штучне волокно. Однак як його не називай, розробка готового продукту, який не поступається за механічними властивостями натуральному, а також організація рентабельного виробництва, залишається поки лише мрією. Всі нечисленні штучні зразки павутинного волокна, створені досі, не йдуть ні в яке порівняння з ниткою кругопряда.
Однак ентузіазму вченим не позичати. Вони вважають, що, коли білки стануть більш доступними, буде легше розробити і ефективні методи їх плетіння. Поки ж залишається вчитися у природи і дивуватися досконалості її природних технологій.
