Исследователи из Северо-Западного университета и Университета штата Сан-Диего (SDSU) лучше разобрались в сложном процессе того, как пауки «черная вдова» превращают белки в стальные волокна. Эти знания обещают помочь ученым в создании не менее прочных синтетических материалов.
Пауки «черная вдова» и их родственники, обитающие в умеренном климате Северной Америки, Европы, Азии, Австралии, Африки и Южной Америки, производят множество шелков с исключительными свойствами материала.
Ученым давно известна первичная последовательность аминокислот, из которых состоят некоторые белки шелка паука, и они поняли структуру волокон и паутины. Предыдущие исследования предполагали, что белки паучьего шелка ожидают процесса прядения в виде наноразмерных амфифильных сферических мицелл (кластеров водорастворимых и нерастворимых молекул), прежде чем они будут направлены через прядильный аппарат паука для формирования шелковых волокон. Однако, когда ученые попытались воспроизвести этот процесс, им не удалось создать синтетические материалы с такими же прочностными характеристиками и свойствами, как у натурального паучьего шелка.
«Разрыв в знаниях был буквально посередине», - сказал Натан Джаннески из Northwestern. «Чего мы не понимали полностью, так это того, что происходит на наноуровне в шелковых железах или прядильном канале - процесс хранения, трансформации и транспортировки, связанный с превращением белков в волокна."
Джаннески является профессором Джейкоба и Розалины Кон на кафедре химии в Колледже искусств и наук Вайнберга, а также на кафедрах материаловедения и инженерии, а также биомедицинской инженерии в Инженерной школе Маккормика. Он и Грегори П. Холланд, доцент кафедры химии и биохимии SDSU и автор более 40 статей о паутине, являются соавторами статьи.
Исследование будет опубликовано онлайн 22 октября в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Используя дополнительные, современные методы - спектроскопию ядерного магнитного резонанса (ЯМР), ту же технологию, которая используется в МРТ в SDSU, а затем электронную микроскопию в Северо-Западном - исследовательская группа смогла более тщательно загляните внутрь белковой железы, где берут начало шелковые волокна, и обнаружите гораздо более сложную иерархическую структуру белка.
Эта «теория модифицированных мицелл» заключает, что белки шелка паука начинаются не как простые сферические мицеллы, как считалось ранее, а как сложные, составные мицеллы. Эта уникальная структура потенциально необходима для создания впечатляющих волокон паука черной вдовы.
Теперь мы знаем, что шелк паука черной вдовы сплетен из иерархических нано-сборок (диаметром от 200 до 500 нанометров) белков, хранящихся в животе паука, а не из случайного раствора отдельных белков или из простых сферических частицы», - сказал Холланд.
Если дублировать, «практическое применение такого материала, как этот, практически безгранично», сказал Холланд, и может включать высокоэффективный текстиль для военных, спасателей и спортсменов; строительные материалы для вантовых мостов и другого строительства; экологически чистые заменители пластика; и биомедицинские приложения.
«Нельзя переоценить потенциальное воздействие на материалы и технику, если мы сможем синтетически воспроизвести этот естественный процесс для производства искусственных волокон в больших масштабах», - сказал Джаннески, который также является заместителем директора Международного института нанотехнологий и членом Института Симпсона Куэрри и Института химии жизненных процессов на Северо-Западе.«Проще говоря, это было бы трансформацией».