Международная научная группа, в которой участвуют исследователи UPM, разработала биоинспирированный метод, который впервые позволит исследователям прясть искусственные шелковые волокна, как это делают пауки, и эффективно производить километры шелка.
Исследователи из Центра биомедицинских технологий Мадридского политехнического университета приняли участие в этом исследовательском проекте, который недавно был опубликован в журнале Nature Chemical Biology. Результаты исследования показывают первую процедуру производства искусственного паучьего шелка путем имитации естественного поведения пауков. Эта имитация была получена путем разработки рекомбинантных белков с той же растворимостью в воде, что и натуральный шелк, и системы прядения на основе, как это происходит в железах паука, водных растворов, стресса, возникающего во время прядения, и снижения pH..
Производство волокон, которые равны или улучшают превосходные свойства шелка паука, является прорывом, поскольку в других предыдущих работах использовались только водные растворы. Исследователи показали, что можно производить километры волокон с механическими свойствами, подобными паутине. Этот материал широко применяется, в частности, в области тканевой инженерии и регенеративной медицины.
Шелки - это материалы с отличной биосовместимостью и отличными механическими свойствами благодаря их высокой прочности и способности к деформации. Однако не все шелка одинаковы. По сравнению с шелком, полученным из червей (вид Bombyx mori), шелк, произведенный пауками, имеет лучшие механические свойства и считается натуральным волокном с самыми высокими механическими характеристиками.
Эти характеристики делают шелк паука отличным кандидатом в качестве биоматериала для тканевой инженерии. Однако, в отличие от шелка червей, шелк паука раньше не производился в промышленных масштабах, поскольку пауки - одиночные и хищные животные, что затрудняет их выращивание в неволе.
Шелк паука состоит из белков (спидроинов), которые перед прядением сохраняются в виде водного раствора в определенных железах животного. Предыдущие исследования, проведенные членами исследовательской группы из Шведского университета сельскохозяйственных наук и Каролинского института, показали, что в шелковых железах существует значительный градиент pH.
Регулирование градиента влияет на определенные части белков шелка паука, и в результате волокно быстро формируется в определенном месте производственного аппарата. Это помогло разработать искусственный белок шелка паука, который включает аминокислотные последовательности спидроинов двух разных видов. Было показано, что этот химерный белок так же растворим в воде, как и натуральные белки шелка пауков, что позволяет исследователям производить большое количество шелка с использованием бактерий. Таким образом, производство искусственного паучьего шелка является масштабируемым и, следовательно, интересным для промышленности.
Чтобы имитировать естественный процесс, происходящий в шелковой железе пауков, исследовательская группа под руководством профессора Анны Райзинг создала эффективный биомиметический процесс прядения, в котором за счет снижения pH и с помощью напряжение, возникающее в канале прядения волокон, позволяет получать километровые волокна из водно-белкового раствора.
По словам исследователей, «это первый успешный пример биомиметического прядения паучьего шелка. Мы разработали процесс, который повторяет многие сложные молекулярные механизмы прядения природного шелка. В будущем это может позволить промышленное производство искусственный паутинный шелк для применения в биоматериалах или для производства современного текстиля."