Niesamowite osiągnięcie naukowców: jedwab ze sztucznego odwłoku pająka

Naukowcom udało się stworzyć urządzenie, które przędzie sztuczny pajęczy jedwab, nie możliwy do odróżnienia od naturalnego wytwarzanego przez pająki. Sztuczny gruczoł był w stanie odtworzyć złożoną strukturę molekularną jedwabiu poprzez naśladowanie różnych zmian chemicznych i fizycznych, które naturalnie zachodzą w ciele pająka.

Ta innowacja jest krokiem w kierunku zrównoważonego rozwoju i może mieć wpływ na kilka branż, w tym odzieżową. Badanie przeprowadzone przez Keiji Numata z RIKEN Center for Sustainable Resource Science w Japonii, zostało opublikowane w czasopiśmie Nature Communications.

Znany ze swojej wytrzymałości, elastyczności i lekkości jedwab pajęczy charakteryzuje się odpornością na rozciąganie porównywalną ze stalą o tej samej średnicy oraz niezrównanym stosunkiem wytrzymałości do masy. Ponadto jest biokompatybilny, co oznacza, że może być stosowany w medycynie, a także ulega biodegradacji. Jednak jest on trudny do zgromadzenia w dużych ilościach. Pozyskanie jedwabiu od pająków na dużą skalę okazało się niepraktyczne, jedyną możliwością okazała się produkcja syntetycznej wersji materiału.

Jedwab pająka to biopolimerowe włókno wykonane z białek o wysoce powtarzalnych sekwencjach, zwanych spidroinami. Wewnątrz włókien jedwabiu znajdują się podstruktury molekularne zwane arkuszami beta, które muszą być odpowiednio wyrównane, aby włókna jedwabiu miały swoje unikalne właściwości mechaniczne. Odtworzenie tej złożonej architektury molekularnej przez lata wprawiało naukowców w zakłopotanie. Zamiast próbować opracować ten proces od podstaw, naukowcy z RIKEN przyjęli podejście biomimikry (emulacja modeli, systemów i elementów natury w celu rozwiązywania złożonych problemów ludzkich).

„W badaniu próbowaliśmy naśladować naturalną produkcję jedwabiu pajęczego za pomocą mikrofluidyki, która obejmuje przepływ i manipulację niewielkimi ilościami płynów przez wąskie kanały. Rzeczywiście, można powiedzieć, że gruczoł jedwabny pająka funkcjonuje jako rodzaj naturalnego urządzenia mikroprzepływowego” ­– wyjaśnia Numata.

Urządzenie opracowane przez naukowców wygląda jak małe prostokątne pudełko z wyżłobionymi w nim małymi kanałami. Roztwór spidroiny jest umieszczany na jednym końcu, a następnie przeciskany w kierunku drugiego końca za pomocą podciśnienia.

Gdy spidroina przepływa przez kanały mikroprzepływowe, narażona jest na zmiany w środowisku chemicznym i fizycznym, które są możliwe dzięki konstrukcji systemu, w którym się znajduje. W odpowiednich warunkach białka samoorganizują się we włókna jedwabiu o charakterystycznej złożonej strukturze.

Naukowcy eksperymentowali, aby znaleźć te właściwe warunki i ostatecznie byli w stanie zoptymalizować interakcje między różnymi regionami systemu mikroprzepływowego. Odkryli, że użycie siły do przepchnięcia białek nie było odpowiednim sposobem. Tylko wtedy, gdy użyli podciśnienia do pociągnięcia roztworu spidroiny, możliwe było wytworzenie ciągłych włókien jedwabiu z prawidłowym charakterystycznym ułożeniem splotów.

„Zaskakujące było to, jak solidny był system mikroprzepływowy po ustaleniu i zoptymalizowaniu różnych warunków. Montaż włókien był spontaniczny, niezwykle szybki i wysoce powtarzalny. Co ważne, włókna wykazywały wyraźną hierarchiczną strukturę, która występuje w naturalnym włóknie jedwabiu” – mówi Ali Malay, współautor badania.

Zdolność do sztucznego wytwarzania włókien jedwabiu przy użyciu tej metody może przynieść wiele korzyści. Nie tylko może pomóc zmniejszyć negatywny wpływ obecnej produkcji tekstyliów na środowisko, ale biodegradowalny i biokompatybilny charakter jedwabiu pajęczego czyni go idealnym do zastosowań biomedycznych, takich jak szwy i sztuczne więzadła.

Emil Gołoś