Нить золотого паука-кругопряда прочнее кевлара
Свойства искусственных материалов порой таковы, что оторопь берет. Например, ткань, сплетенную из кевлара, ни нож, ни обычная пуля не пробивают. Это синтетическое углеродное волокно находит широчайшее применение в производстве бронежилетов и спортивного инвентаря, акустических систем и компонентов авиационной техники. И тем удивительнее, что нить, которую ткет маленький золотистый паук-кругопряд Nephila clavipes, не уступая в прочности кевлару, имеет перед ним существенное преимущество: она эластична, то есть способна эффективно поглощать энергию (прежде чем порваться, нить растягивается процентов на тридцать).
Видео: Black Kevlar Gloves stainless steel wire resistace Gloves
Кроме того, сырьем для кевлара являются так называемые петрохимикаты, дающие токсичные отходы. В «экологичности» же натуральных компонентов, из которых паук плетет свои сети, сомневаться не приходится: органические по своей природе, они, как и положено всему живому, разлагаются микроорганизмами.
Инженеры охотно использовали бы нити кругопряда в качестве альтернативы кевлару. Однако природный материал чересчур дорог. Пауки - не тутовый шелкопряд, разводить их никто не берется: они чрезвычайно агрессивны и не гнушаются каннибализмом. Кроме того, пауки не слишком производительны: они ткут нити хоть и постоянно, но уж очень медленно. Тем не менее, все эти затруднения не означают, что на материалах из паутины можно поставить крест. На помощь химикам приходят биотехнологи.
Основа нити паука-кругопряда - шелковые белки, которые вырабатываются особыми железами. Так, каркасную нить, представляющую наибольший интерес в плане ее использования как биоматериала, составляют белки спидроина двух типов: первые создают кристаллические ячейки и придают им прочность, вторые формируют «аморфную» неструктурированную матрицу и отвечают за эластичность. Как известно, белки кодируются соответствующими генами. В последние десять лет идентифицировано и выделено немало белков. Разумеется, расшифровать их гораздо проще, нежели геном человека, но и тут микробиологам не обойтись без мощной вычислительной техники. Только с развитием биоинформатики и особенно компьютерного анализа генома биотехнологи получили необходимый материал для манипуляций с наследственной информацией пауков.
Идея синтеза волокон заключается в том, что гены паука, будучи вставлены в ДНК другого живого организма, заставляют его синтезировать молекулы шелкового белка. Такая операция была успешно проведена с бактериями, колонии которых после генетической модификации выращивались в особой питательной среде. Невозможность обойтись без этой среды и стала главным недостатком метода: микробов приходилось кормить дорогостоящими аминокислотами - аланином, составляющим кристаллическую основу, и глицином. Да и сами белки получились не совсем полноценными: бактерии оказались слишком примитивными, дабы корректно переводить длинную цепочку чужого гена в соответствующую белковую молекулу.
Попытку сконструировать организм, вырабатывающий шелковые белки, предприняли и специалисты канадской биотехнологической компании Nexia. Обратив внимание на сходство строения секреторных желез пауков и млекопитающих, ученые вшили гены кругопряда в ДНК козы. После операции белки в растворенном виде появились в ее молоке, и теперь идет работа над тем, чтобы их выделить и концентрировать.
Самыми же перспективными признаются эксперименты с растениями. Результаты последнего из них были представлены Удо Конрадом (Udo Conrad) из немецкого Института генетики растений (IPK). Конрад, имплантировав гены кругопряда в геном картофеля и табака, добился существенного изменения химического состава обеих культур: на шелковые белки пришлось до 2 % всей белковой массы растений. По некоторым оценкам, белки, полученные с помощью трансгенных растений, будут в 2-10 раз дешевле, чем синтезированные бактериями.
Остается, впрочем, нерешенной другая задача. Искусственные шелковые белки легко растворимы, причем неравномерно: попадая в воду, они сбиваются в комки и превращаются в неоднородную полужидкую клейкую массу. Между тем паутина прекрасно переносит дожди. Так что инженерам-генетикам предстоит еще немало потрудиться для того, чтобы придать белкам новые свойства. Сейчас идет работа и с уже имеющимся натуральным, и с искусственным сырьем. Ученые пытаются повторить естественный процесс: ведь железы паука тоже вырабатывают белки в жидком виде, но затем они, проходя через специальные трубчатые прядильные органы, обезвоживаются и превращаются в паутинную нить.
Свою технику плетения предварительно растворенных белков запатентовал и такой гигант, как DuPont - известный производитель кевлара. Однако представители компании признают, что дело это слишком дорогое, чтобы можно было говорить о сколько-нибудь масштабном производстве искусственных волокон. Пару месяцев назад о начале совместного проекта заявили уже упоминавшиеся Nexia и IPK. Канадцы предоставят свою базу данных секвенированных генов, а немцы - сравнительно дешевую технологию синтеза шелковых белков растениями. Nexia, к слову, уже три года сотрудничает с американской и канадской армиями. Военные, по понятным причинам, заинтересовались «биосталью» - так Nexia назвала искусственное волокно. Однако как его ни называй, разработка готового продукта, не уступающего по механическим свойствам натуральному, а также организация рентабельного производства, остается пока лишь мечтой. Все немногочисленные искусственные образцы паутинного волокна, созданные до сих пор, не идут ни в какое сравнение с нитью кругопряда.
Однако энтузиазма ученым не занимать. Они полагают, что, когда белки станут более доступными, будет легче разработать и эффективные методы их плетения. Пока же остается учиться у природы и удивлятся совершенству ее естественных технологий.
