Надзвичайної міцності та стійкості на розрив павутиння нарешті вдалося досягти у лабораторії — зв'язаний вченими зразок обійшов оригінал. Його плели з молекул спідроїна — білка, який використовують самі павуки. Штучне павутиння витримало навантаження в один гігапаскаль та продемонструвало ударну в'язкість у 161 мегаджоуль на кубічний метр. Це більше за можливості павутиння принаймні двох видів павуків, повідомляють вчені у ACS Nano.
Створене синтетичне павутиння / Jingyao Li
Навіщо плести павутиння за павуків?
Павутиння є одним з найміцніших природних матеріалів, що демонструє унікальне поєднання високої міцності на розрив і пластичності. Поки міцність павутини може досягати 1,3 гігапаскаля, міцність деяких марок сталі не перевищує декількох сотень мегапаскалей. І тому спосіб її отримання в промислових масштабах надзвичайно хвилює як біохіміків, так і інженерів, адже є безліч додатків, що вимагають використання особливо міцних ниток мікрометрової товщини: від ударостійкого текстилю до хірургічних пристосувань. Однак, розробку таких матеріалів дуже обмежує той факт, що павуків досить складно вирощувати (на відміну від тих же шовкопрядів), а досягнення міцності на розрив у кілька гігапаскалів з ударною в'язкістю понад 150 мегаджоулей на кубічний метр у штучно вирощеному павутинні виявилося надзвичайно важким. Тільки в 2018 році цій же групі вчених вдалося наздогнати за механічними властивостями (міцність, модуль пружності і розтяжність) справжнє павутиння.
Синтетичне павутиння під мікроскопом / Jingyao Li
Що робить павутиння міцним?
Головними матеріалами, з яких павуки плетуть павутиння є більш міцний білок спідроїн I (Spidroin), до якого входить амінокислота аланін, та пружний спідроїн II, який містить гліцин. Однак у лабораторіях ланцюжки цих молекул виходили занадто короткими, тому за своїми механічними властивостями значно відставали від свого природного відповідника. Волокна павутиння є також напівкристалічним матеріалом, де поліаланінові послідовності утворюють бета-шари у структурі білків, а з гліцинових волокон виникають аморфні домени. Дослідження показували, що саме кристалічність волокон павутиння впливає на її механічні властивості: у павуків вона варіюється від 10 відсотків до 50, залежно від виду. Втім, павутиння, отримане у процесі штучного прядіння, навпаки, не має таких структур всередині, імовірно через процес виготовлення. У своїй роботі вчені звернули увагу на білок амілоїд, який демонструє сильну взаємодію всередині бета-структур, а тому здатний до формування бета-шарів, що посприяє утворенню кристалів під час штучного прядіння павутиння у лабораторії.
Як вчені плетуть павутиння?
Під час свого експерименту вчені розробили новий тип гібридного білкового волокнистого матеріалу, в якому десятки та сотні пов'язаних із гнучкими багатими гліцином пептидними послідовностями амілоїдних пептидів утворюють бета-шари. У результаті на основі синтетичної ДНК (щоб уникнути повторення кодувальних послідовностей) отримали гібридний полімерний амілоїдний білок, що містить 128 повторюваних ділянок спідроїну. Це менше, ніж у попередній роботі (там було 192), однак вища кристалічність компенсує можливу нестачу міцності. В ході випробувань павутиння витримало навантаження у один гігапаскаль та показало середню в'язкість близько 161 мегаджоуль на кубічний метр.
Це перевершує більшість синтетичних розробок, а також природне павутиння двох видів павуків — Nephila clavipes і Argiope trifasciata. Всі волокна показали значно вищий ступінь кристалічності — від 15 до 19 відсотків, порівняно із 4,2 відсотка у попередніх роботах. Цікаво, що отримані таким чином білки можна очищувати за допомогою набагато простішого процесу афінної хроматографії замість набагато більш трудомісткого процесу з використанням реакції селективної преципітації, необхідної для високомолекулярного рекомбінантного спідроїну. Це додатково спрощує процес виробництва і знижує його вартість. За словами вчених, ця стратегія дизайну і біосинтезу білка може бути потенційно розширена на інші амілоїдні послідовності, здатні до утворення бета-шарів, а отже і для інших типів природних матеріалів.
Кристалічна структура амілоїдного пептиду у перехресних бета-шарах (а) та зразки отриманого матеріалу після випробувань на міцність (b), де остання — синтетичне павутиння без покращення кристалізації. Масштабна лінійка — 10 мікрометрів. Jingyao Li et al. / ACS Nano, 2021