Другое применение нового эластомера – в составе военной брони для солдатского обмундирования.

Европейские ученые утверждают, что в ближайшие пять лет врачи смогут получить в свое распоряжение искусственные сухожилия, сделанные из паутины. Исследователи полагают, что необычная легкость и долговечность паутины делает ее идеальным материалом, способным заменить поврежденные связки и сухожилия. Паутиновую нить также смогут использовать для производства крепких и требующих длительной носки медицинских повязок, которые заменят нынешний пока еще универсальный пластырь. Специалисты из пяти стран, работающие над проектом "Человек-паук", сказали по этому поводу: "Одно из главных преимуществ новой паутинной технологии заключается в том, что человеческий организм не отторгает внедренный в него белок паука".

Группе японских учёных удалось создать скрипичные струны из паучьего шёлка. Оказалось, что искусственная паутина может образовать капсулы для хранения лекарств и ценных реагентов. Таким образом, она защитит их от преждевременного "срабатывания". Эту разработку назвали spiderbag (паучья сумка). Наносферы, хоть и обладают небольшими размерами, но по прочности могут сравниться со стеклом. К тому же они очень эластичные. По форме они напоминают ёлочные игрушки, только в несколько раз меньше", — рассказывает руководитель исследования Томас Шайбель из университета Байройта [13]. Эти капсулы предназначены для удержания белков и ферментов от реакции с окружающей средой. Паутина препятствует развёртыванию ферментов до тех пор, пока они не понадобятся. Пока, что разработчики видят как минимум одно применение своему изобретению: наносферы могут послужить биологическим детектором, который будет определять уровень химических веществ в организме. Это пригодится для тестирования спортсменов на стероиды перед соревнованиями.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Учёные изготовили эмульсию из микроскопических капель воды и силиконового масла. Капли воды содержали в себе растворённые белки паутины. На границе между водой и маслом белки выделялись из раствора и самостоятельно собирались в шарики диаметром 50-70 нанометров. Капсулы из искусственной паутины забирали внутрь себя капли раствора. Исследователи протестировали механизм с использованием фермента бета-галактозидазы и сывороточного альбумина — двух соединений, которые чаще всего используются при проведении лабораторных тестов. По словам Шайбеля, на месте бета-галактозидазы и сывороточного альбумина может быть почти любое соединение, не вступающее в реакцию с самой паутиной [3,5].

Даже природные свойства паучьего шёлка всегда поражали учёных. Веками люди собирали этот материал и использовали его в качестве бинтов: сеть примыкает к человеческой коже и образует барьер, препятствующий проникновению в раны вирусов и бактерий.

Исключительная по прочности, легкости и красоте ткань из паутины до сих пор используется и известна в Китае под названием "ткани восточного моря". Полинезийцы употребляли паутину крупных тенетных пауков в качестве ниток для шитья и плетения рыболовных снастей. В начале XVIII века во Франции из паутины крестовиков были изготовлены перчатки и чулки, вызвавшие всеобщее восхищение. Известно, что от одного паука можно получить сразу до 500 м нити. В 1899 году из паутины крупного мадагаскарского паука пытались получить ткань для покрытия дирижабля и удалось изготовить образец роскошной ткани длиной 5 м.

На сегодняшний момент нити паутины применяются в основном в оптической промышленности для нанесения перекрестья в оптических приборах и в качестве ниток в микрохирургии, а также за счет высокого содержания в себе бактерицидных свойств может с успехом применяться в медицине в качестве шовного материала, искусственных связок и сухожилий, пленок для заживления ран, ожогов и пр. Из паутины можно делать не только нити, но и пленки. Именно в таком виде планируется использование «искусственной паутины» для изготовления заживляющих покрытий для ран и ожогов, которые не будут отторгаться организмом и будут стимулировать регенерацию собственного эпителия.

Создание искусственной паутины

Химики называют паутину умным материалом. Она самостоятельно "находит" нужные полимеры в окружающей среде и собирается в сферические структуры, обладающие при этом прочностью и эластичностью.

Учёные в лабораториях по всему миру привлекают к производству паутины других,  созданий природы. Изготовлением паучьего шёлка уже занимались кишечные палочки, генно-модифицированные шелкопряды, козы и даже трава люцерна. Они создавали прочные липкие волокна или хотя бы основные белки, входящие в состав паутины. В организме паука "шёлковые" белки находятся в беспорядочном состоянии и выстраиваются в волокнистую структуру только в ходе секреции желёз. На сегодняшний день самыми популярными способами имитации этого процесса являются выделение белков из иглы тонкого шприца и электропрядение (волокна вытягиваются из раствора под воздействием электрического заряда). Всё зависит также от того, какую форму материала требуется получить на выходе: покрытия, капсулы, гели и пена формируются проще всего, а для создания нитей и солей требуется электропрядение или выделение белка из тонкого шприца.

Команда Шайбеля использует для производства целый завод из кишечных палочек. Эти бактерии генетически модифицированы: у них есть гены, ответственные за производство паутины. Эти гены схожи с теми, которые наблюдались у паукообразных видов Nephila clavipes и Araneus diadematus [3,5].

Одноклеточным организмам, таким как бактерия E. coli, довольно сложно производить строительные материалы для паутины, требующие создания массивных повторяющихся белков. Поэтому Шайбель и его коллеги удалили некоторые повторяющиеся элементы и адаптировали процесс производства под уже знакомые кишечным палочкам механизмы. Ученые смогли вырастить трансгенных червей-шелкопрядов, которые могут вырабатывать паучий шелк. Полученный трансгенный шелк имеет все свойства натуральной паутины.

Паутина обладает уникальными физическими свойствами, такими как значительная прочность на растяжение и упругость. Традиционный шелк, вырабатываемый тутовым шелкопрядом, гораздо менее качественный. Однако ученые с помощью транспозон смогли в ДНК шелкопряда вставить гены паука, что вынудило шелкопряда вырабатывать шелк, близкий по своим качествам к паутине.

Искусственный шелк пауков, производимый в этих трансгенных шелкопрядах, имеет схожие свойства прочности и гибкости с родным шелком пауков. Шелковые волокна будут использоваться в биомедицинских целях, сильные и легкие структурные ткани, новое поколение спортивной одежды и улучшенные подушки безопасности автомобиля.

Исследовательская компания Фрейзер запатентовала мощный и уникальный генетический инструмент, называемый «piggyBac». PiggyBac представляет собой фрагмент ДНК, известный как транспозон, который может вмешиваться в генетические механизмы клетки [14]. «С помощью этого совершенно уникального подхода трансгенные шелковичные черви могут быть потенциально жизнеспособной коммерческой платформой для производства генно-инженерного протеина шелка с настраиваемыми свойствами прочности и эластичности».   Синтезировать подобного рода белки в лаборатории химическим путем невозможно - они слишком сложны. Однако ученым удалось создать некий искусственный аналог с применением биотехнологических технологий. Такая нить была проверена на прочность специалисты Научно-иследовательского центра "Углехимволокно" в Мытищах [11]. Нить толщиной всего в несколько микрон выдерживает на разрыв 50-100 мг груза. Она оказалась всего лишь в четыре раза менее прочной, чем у паука, а это очень хороший результат. В то же время величина значения энергии разрыва (упругость) у этой нити уже выше, чем у кости или сухожилия.

Технология, разработанная около ста лет назад французским проповедником, позволила собрать с миллиона мадагаскарских пауков золотистую паутину.
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 [4].

В Германии сумели имплантировать гены кругопряда в геномы картофеля и табака, и выход спидроина составил до 2% всей белковой массы этих растений [9].

В Японском университете Шинсу вставили спидроиновый ген в геном тутового шелкопряда Bombyx mori, теперь их гусеницы производят волокно, на 10 % состоящее из белков паутины [10].

Канадская биотехнологическая фирма Nexia сообщила об успешном внедрении гена спидроина сначала хомячкам, а потом — козам, в результате белки можно выделять из их молока, хотя и в очень небольших количествах [9]. Но чаще всего, в т. ч. в российских биотехнологических лабораториях, для этих целей используют дрожжи — Pichia pastoris, окисляющие метан, и пивные — Saccharomices cerevisiae.

В России признанный лидер по производству искусственных спидроинов — Государственный научно-исследовательский институт генетики и селекции промышленных микроорганизмов (ГосНИИгенетика) [10]. С 2001 г. научная группа под руководством академика Российской академии сельскохозяйственных наук, члена-корреспондента РАН профессора отрабатывает методы производства рекомбинантных спидроинов [11]. Из известной нуклеотидной последовательности к-ДНК паука-кругопряда Nephila clavipes биотехнологи выбрали несколько типичных участков, синтезировали соответствующие гены и встроили в геном дрожжей. Раствор, приготовленный из выделенного белка, «прядут», выпуская через тончайшее отверстие в концентрированный этиловый спирт, где он превращается в волокно. Их коллега из Института биоорганической химии РАН [12]разработал способ получения из раствора пленок разной толщины путем электро-распыления. Регулируя содержание белка в исходном растворе и концентрацию спирта, и изменяя ход последующей обработки, которая включает вытягивание в спирте, размачивание в воде и горячую сушку, исследователи пытаются подобрать условия для создания наиболее прочного и эластичного волокна. Если нить из рекомбинантного спидроина, прежде чем вынуть из спирта, растянуть — это рассматривается как аналогия прядения пауком естественной паутины — то структура ее изменится: появляются тонкие фибриллы диаметром 200–900 нм, их можно увидеть с помощью атомно-силового микроскопа. В природной паутине тоже есть микрофибриллы, правда, они в десять раз тоньше. При более пристальном рассмотрении, тонкие фибриллы оказались больше похожими на бусы: в них чередуются утолщения и более тонкие участки. Под трансмиссионным электронным микроскопом, позволяющим рассмотреть объект на просвет и при большем увеличении, внутри микрофибрилл обнаружены включения диаметром 10–15 нм, которые группируются в продольные структуры длиной до 250 нм. Есть основания полагать, что это кластеры из тех самых нанофибрилл, которые обеспечивают уникальные механические свойства натуральной паутины. Белки-спидроины, содержащиеся в паутине паука-кругопряда Nephila clavipes, отвечают за прочность нити. Чтобы создать чудо-материал, ученые составили компьютерную модель последовательности гена, а после синтезировали этот фрагмент химическим путем. Когда ген был помещен в геном дрожжей, и дрожжи начали продуцировать белок. Белок, получаемый таким образом, это уже паутина, но перед использованием ей нужно придать форму. Для того, чтобы это сделать, вещество шприцем выдавливают во флакон с этиловым спиртом. Под давлением в спирте белок приобретает форму нити.

Наладить промышленное производство паутины пока не представляется возможным, поскольку пауки - хищники и наладить поставки пищи для этих членистоногих хищников достаточно трудно. Ведь пауки питаются насекомыми, а иногда даже своими сородичами. А поэтому, чтобы завести паучью ферму, необходимо большое количество корма. Потенциальное фермерское хозяйство по разведению пауков и сбору паутины может столкнуться с проблемой поставки кормов - различных насекомых. Устройство паутины может стать образцом для множества биотехнологий, таких, как изготовление синтетических волокон для более прочных и эластичных материалов.

Таким образом, дальнейшее изучение структурных особенностей, свойств и функций паутины позволит ученым всего мира добиться значимых результатов во многих сферах деятельности человека, что, несомненно, будет способствовать прогрессу человечества, умению управлять природой и использовать полученные знания на благо людей.

Выводы

Воссоздать паутину пауков искусственным способом на сегодняшний момент с точностью до 100% невозможно. Однако работу ученых в этом направлении необходимо продолжать ввиду высокой потребности человека в данном материале. Материал, созданный на основе паутины обладает высокой прочностью и эластичностью. Применение паутины для нужд человечества является крайне необходимым во многих сферах производства: медицине, имплантологии, генной инженерии, военной, топливной и легкой промышленностях, а также сельском хозяйстве. Необходимо проводить дальнейшие исследования свойств паутины людьми с целью наладить ее промышленное производство, что является необходимым и важным двигателем научного прогресса. Это позволить развивать различные сферы производства. Устройство паутины может стать образцом для множества биотехнологий, таких, как изготовление синтетических волокон для более прочных и эластичных материалов а также новой паутинно-электроники. Работа с искусственной паутиной имеет не только прикладной, но и фундаментальный научный смысл. Эта проблема находится на стыке биологии, белковой инженерии и материаловедения. Понимание того, как аминокислотная последовательность влияет на свойства нановолокна, откроет путь к искусственному созданию нанофибрилл с заданными свойствами.

Список литературы:

Зоология беспозвоночных, Т. 1: от простейших до моллюсков и артропод, под ред. В. Вестхайде и Р. Ригера. М.: Т-во научных изданий КМК, 2008. , Джексон пауков-скакунчиков // Сиб. биол. журн., 1991. № 4. С. 33-41. Харитонов получения паутинного шелка и пути к ее разрешению // Учен. зап. Перм. ун-та. 1945. Т. 4, вып. 2. С. 27-36. , , Барнс беспозвоночных. Т. 3: Членистоногие. М. «Академия», 2008. Основы экологии и охрана окружающей среды. Учеб. пос. (. Всероссийск. заоч. инст. инженеров железнодор. трансп.) – М., 1994, 66 с. Журнал «Chemical &amp»; Engineering News Журнал Biophysical Journal Журнал Scientific American http://ispiders. ru/articles/69-kakaya-polza-ot-paukov. html Журнал Nature Communications Энциклопедия Википедия. http://www. / Биология: Большой справочник для поступающих в вузы / , , и др. – М.: Дрофа, 2004. – 848 с. , ,   Использование свойств паутины в качестве индикатора изменения условий окружающей среды.// Успехи современного естествознания. – 2013. – № 8 . – С. 12-14; http://www. rusnanonet. ru/articles/40463/

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4