Кіріспе
Араның жібек талшығы – аралар жасаған ақуыз талшығы немесе жібек. Аралар жібекті желімдік тұзақтар жасау үшін, сонда олжаны ұстап, шағуға дейін бағып беруге, сезімдік ақпаратты жеткізуге, немесе балаларын қорғау үшін ұялар мен кокон жасауға пайдаланады. Олар жібек арқылы биіктіктен төмен түсіп, ауада сүзіліп, жаратылыстардан қашуға болады. Көптеген аралар жібектің қалыңдығы мен жабысқақтығын қолдану мақсатына қарай өзгертеді. Кейбір жағдайларда аралар жібекті тамақ ретінде де пайдаланады. Жібекті арадан күшпен алу әдістері жасалған, бірақ көптеген аралардан жібек жинау, жібек құрттары сияқты жібек өндіретін организмдерден жинауға қарағанда қиын. Барлық аралар жібек шығарады, бірақ кейбіреулері тор жасамайды. Жібек – көрісу және жұптасумен байланысты. Ұрғашылар өндіретін жібек еркектердің дірілдемелі көрісу сигналдарын жеткізуге арналған каналды қамтамасыз етеді, ал торлар мен сүйреу жіптері ұрғашылардың жыныстық феромондарының негізін құрайды. Жыныстық қатынас кезінде жібек шығаратын еркек аралардың байқалуы кең таралған түрлерде жиі кездеседі. Еркек араның шығарған жібегінің жұптасудағы қызметі туралы аз зерттеулер бар.
Spider silk is a protein fibre or silk spun by spiders. Spiders use silk to make webs or other structures that function as adhesive traps to catch prey, to entangle and restrain prey before biting, to transmit tactile information, or as nests or cocoons to protect their offspring. They can use the silk to suspend themselves from height, to float through the air, or to glide away from predators. Most spiders vary the thickness and adhesiveness of their silk according to its use. In some cases, spiders may use silk as a food source. While methods have been developed to collect silk from a spider by force, gathering silk from many spiders is more difficult than from silk spinning organisms such as silkworms. All spiders produce silk, although some spiders do not make webs. Silk is tied to courtship and mating. Silk produced by females provides a transmission channel for male vibratory courtship signals, while webs and draglines provide a substrate for female sex pheromones. Observations of male spiders producing silk during sexual interactions are common across widespread taxa. The function of male produced silk in mating has received little study.
Құрылымдық
Жібектің иерархиялық құрылымы бар. Негізгі құрылымы – оның ақуыздарының (спидроин) аминоқышқылдар тізбектері, негізінен өте қайталанатын глицин және аланин блоктарынан тұрады, сондықтан жібекті көбінесе блок-сополимер деп атайды. Екінші деңгейде, қысқа тізбекті аланин негізінен нанофибрилдің кристаллдық домендерінде (бета-парақтарда) кездеседі. Глицин көбінесе спиральді және бета-бұрылыс құрылымдарынан тұратын аморфты матрицада табылса, қатты кристалл сегменттері мен керілген эластикалық жартылай аморфты аймақтардың өзара әрекеттесуі жәндік жібегіне ерекше қасиеттер береді. Талшықтың қасиеттерін жақсарту үшін ақуыздан басқа да түрлі қосылыстар қолданылады. Пирролидин гигроскопиялық қасиеттеріне ие, ол жібекті ылғалды ұстап, құмырсқалардың шабуылынан сақтайды. Ол желім жіптерде жоғары концентрацияда кездеседі. Калий сутегінің фосфаты сулы ерітіндіде сутегі иондарын бөліп шығарады, нәтижесінде pH шамамен 4-ке тең болады, бұл жібекті қышқылды етеді және оны ақуызды қорытатын саңырауқұлақтар мен бактериялардан қорғайды. Калий нитраты ақуыздың қышқыл ортада денатурацияға ұшырауына кедергі келтіреді деп саналады. Термония 1994 жылы жібектің бұл алғашқы негізгі моделін ұсынды. Ол сутекті байланыстармен байланысқан аморфты матрицаға енген кристаллиттерді ұсынды. Бұл модельге енгізілген түзетулер: жартылай кристаллдық аймақтар кейіннен АФМ және ТЕМ арқылы визуализацияланды. Нанофибриллярлық құрылымның және кристаллдық және жартылай кристаллдық аймақтардың өлшемдері нейтронды шашырату арқылы анықталды. Талшықтың микроқұрылымдық ақпараты мен макроскопиялық механикалық қасиеттері өзара байланысты. Реттелген аймақтар (i) негізінен аз созылған талшықтар үшін деформация арқылы қайта бағытталады және (ii) жоғары созылған талшықтар үшін реттелген аймақтардың үлесі біртіндеп артады.
Механикалық
Әрбір өрмекші және жібек түрі биологиялық функциясына орай оптимизацияланған механикалық қасиеттер жиынтығына ие. Көптеген жібектер, әсіресе сүйрегіш жібек, ерекше механикалық қасиеттерге ие. Олар жоғары созылу беріктігі мен серпімділік (дактильділік) ерекше үйлесімін көрсетеді. Бұл жібек талшығының үзілмей тұрып көп мөлшерде энергияны сіңіруіне мүмкіндік береді (қатыстық, кернеу-деформация қисығы астындағы аудан). Беріктік пен қатыстық – ерекше шамалар. Салмақ бірлігіне шаққанда жібек болаттан мықтырақ, бірақ кевлардан кем мықты. Дегенмен, өрмекші жібі екеуінен де қатыстырақ. Өрмекші жібек талшықтарының механикалық қасиеттерінің өзгеруі олардың молекулалық бағытталғандығының дәрежесімен байланысты. Механикалық қасиеттер сондай-ақ қоршаған ортаның жағдайларына, яғни ылғалдылық пен температураға да тәуелді.
Қуаттылығы
Тартылу күші жоғары сапалы қорытпа болатқа шамалас (450-2000 МПа), ал Тварон немесе Кевлар сияқты арамид жіптерге қарағанда шамамен екі есе әлсіз (3000 МПа).
Тығыздығы
Негізінен ақуыздан тұратын жібек, болатқа қарағанда шамамен алтыдан бір бөлігі тығыздыққа ие (1,3 г/см3). Осының салдарынан, Жерді айналып өтуге жеткілікті ұзын жіптің салмағы шамамен (Өрмек жібінің тартылу беріктігі шамамен 1,3 ГПа құрайды. Болаттың тартылу беріктігі көрсетілгеннен сәл жоғары болуы мүмкін, мысалы, 1,65 ГПа, бірақ өрмек жібегі болаттан әлдеқайда жеңіл материал болғандықтан, бірдей салмақтағы өрмек жібегі болаттан 5 есе мықты болады.)
Энергия тығыздығы
Тартылған жіптің өрмек жібегінің энергия тығыздығы шамамен 1,2-ге жуық.
Қаттылығы
Жібек созылғыш, ал кейбіреулері жыртылмай, тыныш күйдегі ұзындығынан бес есеге дейін созылуы мүмкін.
Қаттылығы
Қуат пен серпімділіктің үйлесімі сүйреп апаратын жібектерге жоғары тұтқырлық (немесе сынғанға дейін атқарылған жұмыс) қасиетін береді, бұл "қазіргі заманғы полимер талшық технологиясының эталоны болып табылатын саудалық полиарамид (ароматты нейлон) жіптерімен шамалас".
Температура
Табиғатта жиі кездеспесе де, сүйрегіш жібек 40 °C-тан төмен (40 °F) және 220 °C-қа дейін (428 °F) дейін өз беріктігін сақтай алады. Көптеген материалдар сияқты, өрмек жібек талшықтары да шыны тәрізді күйге өтеді. Шыны тәрізді күйге өту температурасы ылғалдылыққа байланысты, себебі су өрмек жібегі үшін пластификатор болып табылады.
Жасанды синтез
Араб жібін жасанды түрде талшыққа айналдыру үшін екі негізгі міндет орындалуы керек. Олар – бастау материалдың синтезі (өзбектердегі жібек ерітіндісі) және өндіріс жағдайларының синтезі (құбырша, клапан, тарылтушы өзек және саңылау). Жібекті тиімді түрде талшыққа айналдыруға болатын стратегиялар аз ғана.
Шикізат
Жібек жібінің молекулалық құрылымы күрделі де, ұзын да. Бұл қасиеттер талшықтарға қажетті сипаттар береді, бірақ оларды көбейтуді қиындатады. Қажетті ақуыз компоненттерін қайталауға бағытталған әрекеттердің негізі ретінде әртүрлі организмдер пайдаланылды. Бұл ақуыздарды бөліп алып, тазартып, содан кейін олардың қасиеттерін тексеру үшін жіпке айналдыру қажет. + Организм туралы мәліметтер Орташа Максималды сындыру кернеуі (МПа) Орташа Созылу (%) Сілтеме Дарвиннің қабық жәндігі (Caerostris darwini) Малагаси жәндігі, 25 м ұзын жіптер жасауымен әйгілі. "C. darwini жібегі бұрын сипатталған жібектерден екі еседен астам берік" 1850 ±350 33 ±0.08 Bombyx mori Жібекқұрттар Жібекқұрттар жәндік ақуыздары мен талшықтарын өндіру үшін генетикалық түрлендірілген. 660 18.5 Escherichia coli Үлкен және қайталанатын молекуланы (~300 кДа) синтездеу күрделі, бірақ ең мықты жібек үшін қажет. Осы жерде E. coli 556 кДа ақуызды өндіру үшін гендік инженерлік жасалды. Бұл синтетикалық жәндіктерден жасалған талшықтар табиғи жәндік жібісінің механикалық өнімділігін барлық жалпы өлшемдер бойынша толық қайталайтын алғашқылар. 1030 ±110 18 ±6 Ешкілер Сүтінде жібек ақуыздарын бөліп шығаратын генетикалық түрлендірілген ешкілер. 285–250 30–40 Темікі және картоп өсімдіктері Жібек ақуызын өндіру үшін генетикалық түрлендірілген. 2010 жылы патенттер берілді, бірақ талшықтар әлі сипатталған жоқ. n/a n/a
Геометрия
Қарапайым молекулалық құрылымы бар өрмек жібектерін тиімді талшыққа айналдыру үшін күрделі өзектер қажет. Тәсілдер:
Шприц пен ине
Шикізат шприц арқылы қуыс инеге күшпен жіберіледі. Өндірісі арзан әрі оңай болғанымен, бездің пішіні мен жағдайы шамамен бейнеленеді. Осы әдіспен жасалған талшықтарды қатайту үшін, метанол немесе ацетон сияқты (қоршаған ортаға зиянды) химиялық заттармен талшықтан суды алып тастау қажет болуы мүмкін.
Беттер
Ерітіндідегі тұрған сұйық-газ шекарасында жібек өзінен-өзі жиналу арқылы берік және мықты қабаттар түзеді. Бұл қабаттар қазірде тіндерді модельдеудегі базальды мембрананы имитациялау үшін зерттелуде.
Микротірілдік
Микрофлюидиканы басқару мүмкіндігі және тоқылмаған талшықтың аз көлемін сынау артықшылығы бар, бірақ құру және дамыту шығындары жоғары. Патент алынған және үздіксіз тоқылған талшықтар коммерциялық қолданысқа енгізілді.
Электрлік спиннинг
Электроспининг – сұйықтықты капиллярлық әрекет арқылы ағып шығу үшін ыдыста ұстайтын көне техника. Оның астына өткізгіш субстрат орналастырылады және сұйықтық пен субстрат арасында электр потенциалының айырмасы қолданылады. Сұйықтық субстратқа тартылып, шығу нүктесі – Тейлор конусынан ұсақ талшықтар секіріп, қозғалғанда кеуіп қалады. Бұл әдіс арқылы организмдерден бөлінген жібек және қайта өңделген жібек фиброинінен наноөлшемді талшықтар жасалады.
Басқа пішіндер
Жібек дәрі-дәрмектерді жеткізуге арналған сфералық капсулалар, жасушалық мұқтаждар, жараларды жазу, тоқыма, косметика, жабындар және тағы да басқалар сияқты әртүрлі пішіндерге және өлшемдерге келтірілуі мүмкін. Өрмекші жібек ақуыздары супергидрофобтық беттерде наножіптерге, сондай-ақ микрометрлік дөңгелек жапырақшаларға өздігінен жиналады. Бұл наномембраналар қан тамырларының статикалық in vitro моделін жасау үшін қолданылды.
Синтетикалық жәндік жібі
Салыстырмалы талшықтарды өндіруге қажетті күрделі жағдайларды қайта жасай білу зерттеулер мен бастапқы өндіріс кезеңдерінде қиындықтар туғызды. Генетикалық инженерия арқылы *E. coli* бактериялары, ашытқылар, өсімдіктер, жібекқұрттар және жібекқұрттардан басқа жануарлар пайдаланылып, өрмек жібіне ұқсас ақуыздар өндірілді, олардың қасиеттері өрмек жібінен өзгеше. *N. clavipes* dragline spidroin-ның 192 қайталану мотивтерінен 556 kDa өрмек жібі ақуызы жасалды, оның механикалық сипаттамалары табиғи өрмек жібіне ұқсас: керілу беріктігі (1,03 ± 0,11 ГПа), модулі (13,7 ± 3,0 ГПа), созылу қабілеті (18 ± 6%) және тұтқырлығы (114 ± 51 МДж/м3). Bolt Threads компаниясы киім-кешек талшықтары мен жеке күтім өнімдерінде пайдалану үшін ашытқыны қолданып, рекомбинантты спидроин өндірді. Олар Microsilk тауарлық белгісімен рекомбинантты өрмек жібінен жасалған алғашқы коммерциялық киім-кешек өнімдерін – галстуктер мен бейескілерді шығарды. Kraig Biocraft Laboratories Вайоминг және Нотр-Дам университеттерінің зерттеулерін пайдаланып, өрмек жібін өндіруге қабілетті генетикалық өзгертілген жібекқұрттар жасады. Бұрынғы қанадалық Nexia биотехнологиялық компаниясы трансгенді ешкілерден өрмек жібі ақуызын өндірді; ешкілердің сүтінде ақуыздың айтарлықтай мөлшері болды – әр литр сүтке 1-2 грамм жібек ақуызы шамасында. Ақуызды табиғи өрмек жібіне ұқсас талшыққа айналдыруға жасалған тыраштар нәтижесінде 2-3 грамм/денир беріктігі бар талшықтар алынды. Nexia ылғалды иіру әдісін қолданып, жібек ақуызының ерітіндісін кішкентай экструзиялық тесіктер арқылы өткізіп, өрмек безін имитациялады, бірақ бұл табиғи өрмек жібінің қасиеттерін толық қайта жасай алмады. Spiber синтетикалық өрмек жібін (Q/QMONOS) өндірді. Goldwin компаниясымен серіктестікте 2016 жылы осыдан жасалған шаңғы паркасы сынақтан өтті. Жапонияның RIKEN орталығының ғалымдары өрмек жібінің молекулалық құрылымын қайта жасайтын жасанды без құрды. Нақты микрофлюидты механизмдер ақуыздардың функционалды талшықтарға өздігінен жиналуын қамтамасыз етті. Бұл процесте спидроин ерітіндісін құрылғы арқылы тарту (итерудің орнына) үшін теріс қысым қолданылды. Нәтижесінде алынған талшықтар табиғи талшықтың иерархиялық құрылымымен сәйкес келді.
Зерттеу
+ Маңызды мақалалар (50 немесе одан көп сілтеме) Үлес қосқан сала Жыл Негізгі зерттеушілер Атауы Өңірге үлес Химиялық негіз 1960 Fischer, F. & Brander, J. "Eine Analyse der Gespinste der Kreuzspinne" (Қарақұрт жібінің аминоқышқылдық құрамын талдау) 1960 Lucas, F. et al. "Артроподтар жібек талшықтарының құрамы; фиброиндердің салыстырмалы зерттеулері" Гендік тізбек 1990 Xu, M. & Lewis, R. V. "Бұтақты суперталшықтың құрылымы – жәндік сүйреу жібі" Механикалық қасиеттері 1964 Lucas, F. "Жәндіктер және олардың жібектері" Жәндік жібектің механикалық қасиеттері басқа материалдармен салыстырғанда алғаш рет ғылыми мақалада келтірілген. 1989 Vollrath, F. & Edmonds, D. T. "Сумен қаптау арқылы жәндік жібінің механикалық қасиеттерін өзгерту" Судың жәндік жібінің фиброинімен өзара әрекеттесуі арқылы жібінің қасиеттерін өзгертетінін көрсеткен алғашқы маңызды мақала. 2001 Vollrath, F. & Shao, Z. Z. "Жіп иіру жағдайларының жәндік сүйреу жібінің механикасына әсері" 2006 Plaza, G. R., Guinea, G. V., Pérez Rigueiro, J. & Elices, M. "Nephila Clavipes Dragline Silk Solid State C 13 Nmr кристалдық аймақтардың құрылымын және идентификациясын анықтайды" Жәндік жібін зерттеуде алғаш рет NMR әдісі қолданылған. 1999 Shao, Z., Vollrath, F. және басқалар. "Раман спектроскопиясы арқылы жәндік жібінің табиғи және суперконтракциялық күйлерін талдау" Жәндік жібін зерттеуде алғаш рет Раман әдісі қолданылған. 1999 Riekel, C., Muller, M. және басқалар. "Жеке жәндік талшықтарындағы рентген сәулелерінің дифракциясының аспектілері" Жеке жәндік жібек талшықтарында алғаш рет рентген сәулесі қолданылған. 2000 Knight, D. P., Vollrath, F. және басқалар. "Жіп иіру кезіндегі бета-өтпесі және стресске байланысты фазалық бөліну" Жіп иіру кезіндегі екінші құрылымдық өткел растау. 2001 Riekel, C. & Vollrath, F. "Жәндік жібек талшығының экструзиясы: кең және кіші бұрышты рентген сәулелерінің микродифракциялық тәжірибелері" Жәндік жібек допесінде алғаш рет рентген сәулесі қолданылған. 2002 Van Beek, J. D. және басқалар. "Жәндік жібектің құрылымы мен қасиеттері" Жәндік жібектің құрылымын оның қасиеттерімен байланыстыруға жасалған алғашқы әрекет. 1994 Termonia, Y "Жәндік жібегі архетиптік белок эластомері ретінде" Топтық өзара әрекеттесу моделіне негізделген жәндік жібегіне жаңа көзқарас және модель. Табиғи иіру 1991 Kerkam, K., Kaplan, D. және басқалар. "Табиғи жібек секрецияларының сұйық кристалдылығы" 1999 Knight, D. P. & Vollrath, F. "Сұйық кристалдар және жәндік жібек өндіріс желісіндегі ағынның ұзартылуы" 2001 Vollrath, F. & Knight, D. P. "Жәндік сүйреу жібін кодтайтын синтетикалық гендердің құрылысы, клондалуы және экспрессиясы" E. coli арқылы жәндік жібегін синтездеуге алғашқы сәтті әрекет. 1998 Arcidiacono, S., Kaplan, D. L. және басқалар. "Escherichia coli-де экспрессияланған рекомбинантты жәндік жібін тазарту және сипаттау" 1998 Seidel, A., Jelinski, L. W. және басқалар. "Жәндік жібегін жасанды иіру" Жәндік жібегін жасанды иірудің алғашқы бақыланатын ылғалды әдісі.
Адамға қолдану
1709 жылы Франсуа Ксавье Бон жібек құрт жібегін алуға ұқсас әдіспен, өрмекші жәндігінің жұмыртқалық қапшықтарынан жібек жасап, одан шұлықтар мен қолғаптар тоқуға тырысты. Елу жыл өткен соң, иезуит миссионері Рамон Мария Термейер өрмекшілерден тікелей жібек жинауға арналған орама құрылғысын ойлап тапты, бұл жіп иіруге мүмкіндік берді. Бірақ Бон мен Термейердің екеуі де коммерциялық мағынада пайдалы өнім өндіре алмады. Өрмекші жібегін жаппай өндіру әдістерінің дамуы әскери, медициналық және тұтыну тауарларын жасауға алып келді, мысалы, оқтан қорғайтын бронежилет, спорттық аяқ киім, жеке күтім заттары, имплантаттар мен катетерлерге арналған жабын, механикалық инсулин сорғылары, сәндік және сыртқы киімдер. Дегенмен, жібек алу мен өңдеудің қиындығына байланысты, өрмекші жібегінен жасалған ең үлкен мата 2009 жылы Мадагаскарда жасалған, алтын түсті мата болып табылады. 82 адам төрт жыл бойы жұмыс істеп, бір миллионнан астам алтын шарлы өрмекшіні жинап, олардан жібек өндірді. 2012 жылы өрмекші жібек талшықтары скрипка ішектерін жасау үшін қолданылды.
Медицина
Карпат тауларының оңтүстігіндегі шаруалар Атипус құлағының түтіктерін кесіп, жараларды ішкі қабығымен жауып тастаған. Ол жараның жазылуын жеңілдетіп, терімен біте қалады дегенді айтады. Мұның себебі жібектің антисептикалық қасиеттеріне және жібекте қан тоқтатуға көмектесетін К витаминінің көп болуына байланысты деп саналады. N. clavipes жібі сүтқоректілердің нейрондарының қайта жаңаруына қатысты зерттеулерде пайдаланылған.
Ғылым мен технология
Араб жібі телескоптар, микроскоптар және телескоптық мылтық көзделгіштері сияқты оптикалық құралдарда бағдарламалық сызықтар үшін жіп ретінде қолданылған. 2011 жылы жібек талшықтары оптикалық байланыста қолданылатын N саңылаулы интерферометриялық сигналдар арқылы ұсақ дифракциялық суреттер жасау үшін пайдаланылды. Жібек биолинзалар жасауға қолданылды, оларды лазерлермен бірге пайдаланып адам денесінің ішкі құрылымын жоғары ажыратымдылықпен суретке түсіруге болады. Жібек инерциялық шектеулі термоядролық синтез нысаналарын лазерлік тұтандыру кезінде ұстап тұру үшін қолданылады, себебі ол жоғары серпімділігін сақтайды және 10–20 К сияқты төмен температурада сындыру үшін жоғары энергия қажет. Сонымен қатар, ол "жеңіл" атомдық элементтерден жасалған, ол сәулелендіру кезінде нысананы алдын ала қыздыруға мүмкіндік беретін рентген сәулелерін шығармайды, синтез үшін қажетті қысым айырмасын шектейді.