Многие ученые стремятся понять необычайную способность пауков прясть чрезвычайно прочные, тяжелые и гибкие шелковые нити. На самом деле паучий шелк прочнее стали и жестче кевлара. Однако повторить работу паука пока никому не удалось.
Если бы мы могли разработать синтетические материалы с такими свойствами, был бы возможен совершенно новый мир: искусственный паучий шелк мог бы заменить такие материалы, как кевлар, полиэстер и углеродное волокно, в промышленности, например, при изготовлении легких и гибких бронежилетов.
Ирина Ячина, научный сотрудник и биофизик кафедры биохимии и молекулярной биологии Университета Южной Дании (SDU), участвует в гонке по поиску формулы суперпаучьего шелка. Она увлеклась паучьим шелком, когда работала над получением степени магистра в Университете Южной Дании, а в настоящее время исследует эту тему в Массачусетском технологическом институте в Бостоне при поддержке Фонда Виллум.
В рамках своих исследований она сотрудничает с биофизиком Джонатаном Брюэром, доцентом Университета Южной Дании, который является экспертом в использовании различных микроскопов для изучения биологических структур.
Теперь они впервые вместе использовали световую микроскопию для изучения внутренней структуры паутины без необходимости каким-либо образом разрезать или вскрывать ее. Результаты теперь опубликованы в журналах Scientific Reports и Scan.
«Мы использовали несколько передовых методов микроскопии, а также разработали новый оптический микроскоп, который позволяет нам видеть всю глубину волокон», — объясняет Джонатан Брюэр.
На сегодняшний день паучий шелк был проанализирован с использованием различных методов, каждый из которых позволил получить новую информацию. Однако, как указывает Джонатан Брюэр, у этих методов есть и недостатки, поскольку они часто требуют разрезания нитей (также называемых волокнами) на секции для получения поперечных сечений для микроскопии или замораживания образцов, что может изменить структуру шелковых волокон.
«Мы хотели изучить чистые волокна, которые не были разрезаны, заморожены или иным образом обработаны», — говорит Ирина Ячина. Для этого команда использовала менее инвазивные методы, такие как когерентное антистоксово комбинационное рассеяние, конфокальная микроскопия, конфокальная отраженная флуоресцентная микроскопия со сверхразрешением, сканирующая ионная микроскопия гелия и распыление ионов гелия.
Различные исследования показали, что волокна паучьего шелка состоят как минимум из двух внешних слоев липидов или жиров. За ними, т. е. внутри волокон, находится множество так называемых нитей, расположенных прямыми линиями и тесно рядом (см. иллюстрацию). Диаметр волокон составляет от 100 до 150, что ниже предела измерения обычных оптических микроскопов.
«Они не скручены так сильно, как думали люди, поэтому теперь мы знаем, что нет необходимости скручивать их при попытке сделать синтетический паучий шелк», — сказал Ячина.
Волокна паучьего шелка, которые использовали Ичина и Брюэр, происходят от мадагаскарского паука с золотыми орбитами (Nephila Madagascariensis). Этот паук производит два разных типа паучьего шелка: один называется MAS (основные ампулированные шелковые волокна), который используется для создания паутины, а также шелк, используемый пауками для подвешивания, который можно рассматривать как спасательный круг для пауков; он очень прочный и имеет диаметр около 10 микрон.
Другой называется MiS (Minor Ampulate Silk Fibre) и является вспомогательным материалом для строительства. Он более эластичен и обычно имеет диаметр 5 микрон. Согласно анализу пары, шелк MAS содержит волокна диаметром около 145 нанометров. Диаметр МиС составляет около 116 нанометров. Каждое волокно состоит из белка, и в нем участвует много разных белков. Эти белки производятся пауками при изготовлении шелковых волокон.
Понимание того, как они создают такие прочные волокна, важно, но их изготовление также является сложной задачей. Поэтому исследователи в этой области часто полагаются на то, что пауки производят для них шелк.
Альтернативно они могут обратиться к вычислительным методам, чем сейчас занимается Ирина-Ична в Массачусетском технологическом институте: «Прямо сейчас я занимаюсь компьютерным моделированием того, как белки превращаются в шелк. Конечно, цель — научиться производить искусственный паучий шелк, но я также заинтересован в том, чтобы помочь людям лучше понять мир вокруг нас».