Искусственная паутина догнала настоящую по механическим свойствам

Nephila clavipes
Kevin O’Mara / flickr

Американские биохимики получили в лабораторных условиях нити, состоящие из рекордно длинных молекул спидроина — белка, из которого пауки плетут паутину. Использовав рекомбинантные ДНК и метод сплайсинга белков, ученые получили полипептид с молекулярной массой более 500 килодальтон — это почти в два раза больше, чем у аналогичных молекул, которые синтезируются в природных условиях. Из этих белков ученые получили нити, по своим механическим свойствам — прочности на разрыв, растяжимости и жесткости — не уступающие паутине, пишут ученые в Biomacromolecules

Паутина — один из самых прочных естественных материалов: прочность ее нитей на разрыв может достигать 1,3 гигапаскаля (для сравнения, прочность некоторых марок стали не превышает нескольких сотен мегапаскалей). Основной материал паутины — это два вида белков: более прочный спидроин I и более упругий спидроин II. Воспроизвести получение нитей из этих белков в искусственных условиях практически невозможно: разводить пауков, в отличие от шелковичных червей, очень тяжело, а получение подобного материала в лабораторных условиях пока не позволяет добиться нужных механических характеристик.

Состав спидроина известен: белок состоит из большого количества фрагментов двух типов — участков, содержащих только аланин, и участков, преимущественно состоящих из глицина, но включающих в свой состав и другие аминокислоты. Однако при получении этих молекул в лаборатории они оказывались слишком короткими, поэтому по своим механическим свойствам были далеки от природного спидроина.

Схема первичной структуры спидроина

BQUB13-Acolom / Wikimedia commons

Чтобы увеличить длину молекул спидроина, синтезируемого искусственно, американские биохимики под руководством Фучжуна Чжана (Fuzhong Zhang) из Вашингтонского университета в Сент-Луисе предложили использовать рекомбинантные молекулы ДНК. В этих молекулах искусственным образом созданы повторяющиеся последовательности нуклеотидов, отвечающие за синтез правильных участков белка, и при трансляции синтезируется рекомбинантный белок увеличенной длины. Благодаря этому подходу уже удавалось синтезировать рекомбинантный спидроин, однако максимальная масса полученных таким молекул не превышала 285 килодальтон (для сравнения, молекулярная масса естественного спидроина составляет около 310 килодальтон).

Для увеличения молекулярной массы синтезированного белка ученые немного модифицировали эту методику: уже после трансляции рекомбинантного белка, его молекулярную массу увеличивали с помощью техники сплайсинга. При таком подходе из молекулы вырезается внутренний фрагмент — интеин, — а на место разрезов место присоединяются концевые белковые последовательности. Интеины могут соединяться между собой, поэтому, если одну молекулу белка «обрезать» с N-конца, а другую — с C-конца, а потом соединить их между собой, то молекулярную массу белка можно фактически увеличить вдвое.

Полученные спидроиновые нити

Christopher Bowen

Микрофотография среза одной нити. Масштабная линейка — 5 микромтеров

Christopher H. Bowen et al./ Biomacromolecules, 2018

С помощью предложенного подхода ученые синтезировали спидроин на основе ДНК, выделенного из пауков вида
Nephila clavipes
, массу которого удалось увеличить сразу до 556 килодальтон — в таком белке содержится 192 повторяющихся участка спидроина. Из этих белковых цепочек ученые получили нити диаметром в несколько микрометров, которые по своим механическим свойствам не уступили естественным волокнам в паутине. Прочность нитей на разрыв составила 1,03 гигапаскаля, модуль упругости — 13,7 гигапаскаля, растяжимость — 18 процентов, а жесткость — 114 мегаджоулей на кубический метр. Кроме того, механические свойства полученных материалов оказались напрямую связаны с молекулярной массой белка — чем больше аминокислот включает в свой состав молекула, тем прочнее будет нить, состоящая из этих белков. Раньше эту закономерность удавалось показать только для относительно коротких белков.

По словам авторов исследования, полученные волокна уже сейчас можно использовать в приложениях, требующих использования особо прочных нитей микрометровой толщины. Кроме того, в будущем с помощью аналогичного подхода можно довольно просто получать в лабораторных условиях и другие типы природных материалов.

Стоит отметить, что для получения аналогичных сверхпрочных нитей не всегда используют только белки паутины и шелка. Например, недавно шведские химики синтезировали искусственный аналог нити паутины, который лишь на десять процентов состоит из паучьего белка, а оставшиеся 90 процентов составляют целлюлозные нановолокна, полученные из древесины. Фиброин — белок, входящий в состав шелка — используют и для получения других типов композиционных материалов. Так, объединив его с силиконом, американские материаловеды создали материал, способный менять свои магнитные свойства при нагревании светом.

Александр Дубов

Как пауки производят паутину

Большое количество паутинных желез располагается в брюшной полости паука. Протоки таких желез открываются в мельчайшие прядильные трубочки, имеющие выход на концевую часть специальных паутинных бородавок. Количество прядильных трубочек может варьироваться в зависимости от вида паука. К примеру, очень распространённый паук-крестовик имеет их пять сотен.

Это интересно! В паутинных железах вырабатывает жидкий и вязкий белковый секрет, особенностью которого является способность практически мгновенно затвердевать под воздействием воздуха и превращаться в тонкие длинные нити.

Процесс прядения паутины заключается в прижимании паутинных бородавок к субстрату. Первая, незначительная часть выделившегося секрета застывает и надёжно приклеивается к субстрату, после чего паук вытягивает вязкий секрет с помощью задних ног. В процессе удаления паука от места прикрепления паутины, белковый секрет растягивается и быстро затвердевает. На сегодняшний день известно и достаточно хорошо изучено семь разных видов паутинных желез, которыми производятся разные типы нитей.

Вернуться к содержанию

Эластичность паутины

Чтобы узнать свойства паутины я провел шесть экспериментов. Наблюдения паутины, сбор экспериментального материала – паутины проведен в период с 1.08 по 30.08.2016 г. в г. Таганроге и его окрестностях.

Целью первого опыта являлось изучение эластичности паутины (Приложение).

В опыте я использовал линейку, паутину (диаметр паутины – 22 см, сеть имеет 15 кругов), фотоаппарат.

Ход опыта. Аккуратно близко к паутине поднес линейку (диаметр паутины в исходном положении 22 см). Раздвинул ветки, на которых закреплена паутина, в стороны:

— растянул паутину на 1 см и отпустил ветки – паутина вернулась в исходное положение: ее диаметр не изменился, нити паутины остались натянутыми, как и до растяжения;

— растянул паутину на 2 см и растянул ветки – паутина вернулась в исходное положение: ее диаметр не изменился, нити паутины остались натянутыми;

— растянул паутину на 3 см – паутина порвалась.

Вывод: паутина эластична и не деформируется, при повышенном давлении разрывается (имеет предел прочности).

Литература

«Умный» клей из паутины;
Агапова О.И., Ефимов А.Е., Мойсенович М.М., Богуш В.Г., Агапов И.И. (2015). Сравнительный анализ трехмерной наноструктуры пористых биодеградируемых матриксов из рекомбинантного спидроина и фиброина шелка для регенеративной медицины. Вестник трансплантологии и искусственных органов. XVII, 37–44;
Golden Spider Silk. Сайт Victoria and Albert Museum, 2012;
Якуб Е. (2001). Побеждающие афину. Наука и жизнь. № 2;
Котляр П. (2015). Стартап сплетает паутину. Сайт «Газета.ру»;
Археи «хамят» и помогают;
Нашествие пауков в Австралии. Сайт «День Х», 2013;
Кирсанов Г.П. (1974). Питательная среда для выкармливания пауков. Сайт FindPatent.ru;
Рудый Ю. (2009). Мадагаскарцы создали самое большое полотно из паучьего шелка. Сайт «Мембрана»;
Накидка, сделанная из паучьего шелка, будет представлена на выставке в Европе. Сайт GlobalScience.ru, 2012;
Технологическая платформа «Медицина будущего». Сайт Евразийской экономической комиссии, 2012;
Аксенова Л. (2013). Забыть о боли помогут пауки. Сайт «Газета.ру»;
Великому комбинатору и не снилось: комбинаторика токсинов пауков.

Влияние температуры окружающей среды на паутину

Целью второго опыта являлось изучение реакции паутины на изменение температуры окружающей среды (Приложение).

В ходе проведения опыта я использовал пластиковую плотно закрывающуюся емкость, ветки с паутиной, холодильник, градусник.

Ход опыта: в пластиковую плотно закрывающуюся емкость поместил ветки с паутиной и положил в морозильную камеру холодильника на 24 часа. Температура воздуха в морозильной камере — минус 18ºС. Спустя 24 часа внешний вид паутины не изменился: ее цвет остался прежним, на паутинках не появился иней, на ощупь она не была холодной и оставалась липкой, свойства эластичности паутины сохранились.

В одну пластиковую плотно закрывающуюся емкость поместил новые ветки с паутиной, в другую такую же емкость – ветки с паутиной, которые только что извлекли из морозильной камеры. Емкости положил на солнце (средняя температура воздуха – плюс 30ºС) на 24 часа. Спустя 24 часа внешний вид паутины не изменился: ее цвет остался прежним, на ощупь она не была теплой и оставалась липкой, свойства эластичности паутины сохранились, дополнительного запаха в пластиковой емкости с паутиной не появилось.

Вывод: на внешний вид паутины, ее качество и свойства не влияет высокая и низкая температура, а также резкий перепад температуры воздуха.

Функции паутины и ее назначение

Паутина используется пауками в самых разных целях. Сотканное из прочной и надёжной паутины убежище позволяет создавать для членистоногих наиболее благоприятные микроклиматические условия, а также служит хорошим укрытием, как от непогоды, так и от многочисленных природных врагов. Многие членистоногие паукообразные способны оплетать своей паутиной стенки своей норки или делать из неё своеобразную дверку в жилище.

Это интересно! Некоторые виды используют паутину в виде транспорта, а молодые паучки покидают родительское гнездо на длинных паутинных нитях, которые подхватываются ветром и переносятся на значительные расстояния.

Наиболее часто пауки используют паутину для плетения липких ловчих сетей, что позволяет эффективно ловить добычу и обеспечивать членистоногому питание. Не менее известны так называемые яйцевые коконы из паутины, внутри которых появляются молодые паучки. Некоторые виды плетут паутинные страховочные нити, защищающие членистоногое от падения в процессе прыжка и для перемещения или ловли добычи.

Паутина для размножения

Для периода размножения характерно выделение самкой паутинных нитей, которые позволяют найти оптимальную пару для спаривания. Например, самцы-тенетники способны сооружать рядом с сетями, созданными самками, миниатюрные по размерам брачные паутинные кружева, в которые и заманиваются паучихи.

Самцы пауков-крестовиков ловко присоединяют свои горизонтальные паутины к радиально расположенным нитям ловчих сетей, сделанных самками. Нанося по паутине сильные удары конечностями, самцы вызывают колебания сети и, таким необычным образом, приглашают самок на спаривание.

Паутина для ловли добычи

С целью поимки своей добычи многие виды пауков плетут специальные ловчие сети, но для некоторых видов характерно использование своеобразных паутинных арканов и нитей. Пауки, которые скрываются в жилищах-норах, расставляют сигнальные нити, которые тянутся от брюшка членистоногого до самого входа в его убежище. При попадании добычи в ловушку, колебание сигнальной нити моментально передаётся пауку.

Липкие ловчие сети-спирали строятся немного по другому принципу. При её создании паук начинает плетение с края и постепенно продвигается к центральной части. В этом случае обязательно сохраняется одинаковый промежуток между всеми витками, в результате чего получается так называемая «спираль Архимеда». Нити на вспомогательной спирали специально обкусываются пауком.

Паутина для страховки

Пауками-скакунчиками используются паутинные нити в качестве страховки при нападении на жертву. Пауками прикрепляется страховочная нить паутины к любому предмету, после чего членистоногое прыгает на намеченную добычу. Эта же нить, прикрепленная к субстрату, используется для ночлега и страхует членистоногое от нападения всевозможных природных врагов.

Это интересно! Южнорусские тарантулы, покидая своё жилище-нору, тянут за собой тончайшую паутинную нить, что позволяет быстро найти при необходимости обратную дорогу или вход в убежище.

Паутина как транспорт

К осени некоторые виды пауков выводят молодь. Выжившие в процессе взросления молодые паучки стараются взбираться как можно выше, используя с этой целью деревья, высокорослые кустарники, крыши домов и другие строения, заборы. Дождавшись достаточно сильного ветра, маленький паучок выпускает тонкую и длинную паутинку.

От длины такой транспортной паутины напрямую зависит расстояние перемещения. Дождавшись хорошего натяжения паутинки, паук откусывает её конец, и очень быстро взлетает. Как правило, «путешественники» способны пролететь на паутине несколько километров.

Пауками-серебрянками паутина применяется в качестве водного транспорта. Для охоты в водоёмах этому пауку требуется дыхание атмосферным воздухом. При спуске на дно, членистоногое способно захватывать порцию воздуха, а на водных растениях из паутины сооружается своеобразный воздушный колокол, который удерживает воздух и позволяет пауку охотиться на свою добычу.

Вернуться к содержанию

Исследование прочности паутины

Целью пятого опыта являлась проверка прочности паутины (Приложение).

В ходе проведения опыта я использовал линейку, рыболовные грузила весом 2 г, 5 г и 10 г и паутину.

Из паутины выбрал одну нить: длина 21 см. Нить очень тонкая, меньше 1 мм. Потянул нить паука – порвалась.

Постепенно складывал 10 паутинок – получил одну: длина 12 см, толщина 0,5 мм. К такой «веревке» привязал груз массой 2 га – «веревка» не порвалась. Привязал груз массой 5 г – «веревка» порвалась.

Постепенно складывал 46 паутинок – получил одну: длина 9 см, толщина 1 мм. К «веревке» привязал груз массой 2 га – «веревка» не порвалась. Привязал груз массой 5 г – «веревка» не порвалась. К «веревке» привязал груз 10 г – «веревка» порвалась.

Вывод: прочность паутины повышается при увеличении количества паутинок.

Горение паутины

Целью четвертого опыта являлось изучение особенностей горения паутины (Приложение).

В ходе проведения опыта я использовал металлический прут с паутиной, спички.

У взрослых я узнал, что искусственные полимерные ткани при горении всегда плавятся и часто издают резкие неприятные запахи. Если поджечь большой кусок синтетической ткани, резины или лески, ее края будут, словно оплавляться и даже стекать вниз раскаленными каплями, будет выделение черного дыма. Горение натуральной ткани отличается от горения искусственной .

Поджег паутину – она загорелась. Пламя – красное в середине, по краям синее, без выделения черного дыма. При горении — резкий запах жженого пера.

Вывод: паутина горит, не плавится. Значит она натурального происхождения.