Введение

Белковое волокно, производимое пауками. Паучий шёлк – это белковое волокно или шёлк, прядущийся пауками. Пауки используют шёлк для создания паутин или других структур, которые служат липкими ловушками для поимки добычи, для запутывания и удержания добычи перед укусом, для передачи тактильной информации, или в качестве гнёзд или коконов для защиты потомства. Они могут использовать шёлк, чтобы подвешиваться с высоты, парить в воздухе или уклоняться от хищников. Большинство пауков изменяют толщину и липкость шёлка в зависимости от его назначения. В некоторых случаях пауки могут использовать шёлк в качестве источника пищи. Хотя разработаны методы принудительного сбора шёлка у пауков, сбор шёлка с большого количества пауков сложнее, чем от шелкопрядов. Все пауки производят шёлк, хотя некоторые не плетут паутину. Шёлк связан с ухаживанием и спариванием. Шёлк, производимый самками, служит каналом для передачи вибрационных сигналов ухаживания самцами, а паутина и страховочные нити – субстратом для половых феромонов самок. Наблюдения за самцами пауков, производящими шёлк во время полового взаимодействия, распространены среди различных таксонов. Функция шёлка, производимого самцами, в процессе спаривания изучена мало.

Структурные

Шелк имеет иерархическую структуру. Первичная структура – аминокислотная последовательность его белков (спидроина), состоящая преимущественно из высокоповторяющихся блоков глицина и аланина, поэтому шелк часто называют блочным сополимером. На вторичном уровне аланин с короткими боковыми цепями в основном содержится в кристаллических доменах (бета-листах) нанофибрилл. Глицин преимущественно встречается в так называемой аморфной матрице, состоящей из спиральных и бета-поворотных структур. Взаимодействие между жесткими кристаллическими сегментами и напряженными эластичными полуаморфными областями обеспечивает пауковому шелку его исключительные свойства. Для улучшения свойств волокна используются различные соединения, помимо белка. Пирролидин обладает гигроскопическими свойствами, поддерживающими шелк во влажном состоянии и отпугивающими муравьев. Он содержится в высокой концентрации в клеевых нитях. Калия гидрогенфосфат высвобождает ионы водорода в водном растворе, в результате чего pH составляет около 4, что делает шелк кислым и, таким образом, защищает его от грибков и бактерий, которые в противном случае расщепляли бы белок. Нитрат калия, как полагают, предотвращает денатурацию белка в кислой среде. Термония представил эту первую базовую модель шелка в 1994 году, предложив кристаллиты, встроенные в аморфную матрицу, соединенную водородными связями. Дальнейшие уточнения модели включали обнаружение полукристаллических областей, которые впоследствии были визуализированы с помощью АФМ и ПЭМ. Размеры нанофибриллярной структуры, а также кристаллических и полукристаллических областей были определены методом нейтронной дифракции. Микроструктурная информация о волокнах связана с их макроскопическими механическими свойствами. При деформации волокна с низкой степенью растяжения происходит преимущественно переориентация упорядоченных областей (i), а при более высоком растяжении доля упорядоченных областей прогрессивно возрастает (ii).

Механические

Каждый паук и каждый тип шелка обладают набором механических свойств, оптимизированных для их биологической функции. Большинство шелков, особенно волокна для страховочной нити, обладают исключительными механическими свойствами. Они демонстрируют уникальное сочетание высокой прочности на разрыв и удлинения (пластичности). Это позволяет шелковому волокну поглощать большое количество энергии перед разрушением (вязкость, площадь под диаграммой "напряжение-деформация"). Прочность и вязкость – это различные характеристики. По весу шелк прочнее стали, но уступает кевлару по прочности. Однако паучий шелк обладает большей вязкостью, чем оба этих материала. Изменчивость механических свойств волокон паучьего шелка связана со степенью их молекулярной ориентации. Механические свойства также зависят от внешних условий, то есть влажности и температуры.

Сила

Прочность на растяжение шелка драглина сопоставима с прочностью высококачественной легированной стали (450–2000 МПа) и составляет примерно половину прочности арамидных нитей, таких как Тварон или Кевлар (3000 МПа).

Плотность

Состоящий в основном из белка, шёлк имеет плотность примерно в шестой части плотности стали (1,3 г/см³). В результате, нить, достаточно длинная, чтобы обернуть вокруг Земли, весила бы около (Прочность паучьего волокна на растяжение составляет примерно 1,3 ГПа. Указанная прочность стали на растяжение может быть немного выше, например, 1,65 ГПа, но паучий шёлк гораздо менее плотный материал, поэтому при одинаковом весе паучий шёлк в пять раз прочнее стали.)

Плотность энергии

Плотность энергии паутинного шелка паука-рельса составляет примерно 1,2.

Дюктильность

Шелк пластичен, и некоторые его виды способны растягиваться до пяти раз превышая свою первоначальную длину без разрыва.

Жесткость

Сочетание прочности и пластичности наделяет шелк паутины высокой вязкостью (или работой деформации до разрушения), которая "сопоставима с характеристиками коммерческих полиарамидных (ароматических нейлоновых) нитей, которые сами по себе являются ориентиром в современной технологии полимерных волокон".

Температура

Хотя в природе это вряд ли имеет значение, шелк тяговых нитей способен сохранять прочность при температурах ниже 40 °C и до 220 °C. Как и многие другие материалы, волокна паучьего шелка испытывают стекловидный переход. Температура стекловидного перехода зависит от влажности, поскольку вода действует как пластификатор для паучьего шелка.

Искусственный синтез

Чтобы искусственно синтезировать паучий шёлк в волокна, необходимо решить две основные задачи. Это синтез исходного материала (непряденого шелкового раствора у пауков) и синтез условий производства (воронки, клапана, сужающегося протока и сопла). Лишь немногие стратегии позволили получить шёлк, который можно эффективно превратить в волокна.

Сырье

Молекулярная структура непряденого шелка сложна и протяженна. Хотя это наделяет волокна желаемыми свойствами, это также затрудняет их воспроизведение. Различные организмы использовались в качестве основы для попыток воспроизвести необходимые белковые компоненты. Затем эти белки необходимо извлечь, очистить и прясть, прежде чем можно будет проверить их свойства. + Детали организма Среднее максимальное напряжение при разрыве (МПа) Среднее удлинение (%) Источник Паук Дарвина (Caerostris darwini) Мадагаскарский паук, известный плетением нитей длиной до 25 м. "Шелк C. darwini более чем в два раза прочнее любого ранее описанного шелка" 1850 ±350 33 ±0,08 Bombyx mori Шелкопряд Шелкопряды, генетически модифицированные для экспрессии паучьих белков и волокон. 660 18,5 Escherichia coli Синтез крупной и повторяющейся молекулы (~300 кДа) сложен, но необходим для получения наиболее прочного шелка. В данном случае E. coli была сконструирована для производства белка весом 556 кДа. Волокна, полученные из этих синтетических паутинных белков (spidroins), первыми полностью воспроизвели механические характеристики натурального паучьего шелка по всем общепринятым показателям. 1030 ±110 18 ±6 Козы Генетически модифицированные для секреции шелковых белков в молоко. 285–250 30–40 Табак и картофель Генетически модифицированные для производства шелковых белков. Патенты были выданы в 2010 году, но волокна пока не описаны. n/a n/a

Геометрия

Паучье шелк с относительно простой молекулярной структурой требует сложных выводных протоков для формирования эффективного волокна. Подходы:

Шприц и игла

Сырье продавливается через полую иглу с помощью шприца. Несмотря на низкую стоимость и простоту производства, форма и условия формирования железы воспроизводятся лишь приблизительно. Волокна, полученные этим методом, могут потребовать дополнительной обработки для затвердевания, например, удаления воды с помощью химических веществ, таких как (неблагоприятный для окружающей среды) метанол или ацетон.

Листы

Самосборка шелка на границах раздела жидкость-газ неподвижного раствора приводит к образованию прочных и упругих листов. Эти листы в настоящее время исследуются для моделирования базальной мембраны в тканевой инженерии.

Микрофлюиды

Микрофлюидика обладает преимуществами в виде управляемости и возможности тестировать характеристики небольших объемов непропряденного волокна, однако затраты на настройку и разработку высоки. Патент получен, и непрерывно пряденные волокна нашли коммерческое применение.

Электроплиннинг

Электроспининг – это проверенная техника, при которой жидкость удерживается в емкости и вытекает под действием капиллярных сил. Под ней располагается проводящая подложка, между жидкостью и подложкой создается разность электрических потенциалов. Жидкость притягивается к подложке, и тончайшие волокна вылетают из точки эмиттера, конуса Тейлора, к подложке, высыхая в полете. Этот метод позволяет создавать нановолокна из шелка, выделенного из организмов, и регенерированного шелкового фиброина.

Другие формы

Шелк можно формовать в различные формы и размеры, такие как сферические капсулы для доставки лекарств, каркасы для клеток и заживления ран, текстиль, косметика, покрытия и многое другое. Белки паучьего шелка способны к самосборке на сверхгидрофобных поверхностях, образуя нанопроволоки, а также круглые листы микронного размера. Эти наномембраны были использованы для создания статической in vitro модели кровеносного сосуда.

Синтетический паучий шелк

Воспроизведение сложных условий, необходимых для производства сопоставимых волокон, оказалось сложной задачей для исследований и ранних стадий производства. С помощью генной инженерии для производства паукообразных белков, отличающихся по характеристикам от белков, производимых пауками, использовались бактерии *E. coli*, дрожжи, растения, шелкопряды и другие животные, не являющиеся шелкопрядами. Белок паучьего шелка массой 556 кДа был получен из 192 повторяющихся мотивов спидроина *N. clavipes* с протяженной нитью, обладающий аналогичными механическими характеристиками, как и его природный аналог, а именно: прочность на растяжение (1,03 ± 0,11 ГПа), модуль упругости (13,7 ± 3,0 ГПа), удлинение при разрыве (18 ± 6%) и ударная вязкость (114 ± 51 МДж/м³). Компания Bolt Threads производит рекомбинантный спидроин на основе дрожжей для использования в волокнах для одежды и средствах личной гигиены. Они выпустили первые коммерческие изделия одежды из рекомбинантного паучьего шелка под торговой маркой Microsilk, представленные в виде галстуков и шапок-бини. Лаборатории Kraig Biocraft использовали исследования Университетов Вайоминга и Нотр-Дам для создания генетически модифицированных шелкопрядов, производящих паучий шелк. Канадская биотехнологическая компания Nexia, прекратившая свою деятельность, производила белки паучьего шелка у трансгенных коз; молоко этих коз содержало значительное количество белка – 1–2 грамма шелковых белков на литр молока. Попытки превратить этот белок в волокно, подобное натуральному паучьему шелку, привели к получению волокон с прочностью 2–3 грамма на дениер. Nexia использовала мокрое прядение, выдавливая раствор шелкового белка через небольшие экструзионные отверстия для имитации прядильной бородки, однако этого оказалось недостаточно для воспроизведения свойств природного паучьего шелка. Компания Spiber производит синтетический паучий шелк (Q/QMONOS). В партнерстве с Goldwin в 2016 году проходили испытания лыжная куртка, изготовленная из этого материала. Исследователи из японского центра RIKEN создали искусственную железу, воспроизводящую молекулярную структуру паучьего шелка. Точные микрофлюидные механизмы направляли белки на самосборку в функциональные волокна. В процессе использовалось отрицательное давление для вытягивания (а не проталкивания) раствора спидроина через устройство. Полученные волокна соответствовали иерархической структуре натурального волокна.

Исследования

+ Значимые статьи (50 и более цитирований) Область вклада Год Основные исследователи Название Вклад в область Химическая основа 1960 Fischer, F. & Brander, J. "Eine Analyse der Gespinste der Kreuzspinne" (Анализ аминокислотного состава паучьего шелка) 1960 Lucas, F. et al. "Состав фиброинов шелка членистоногих; сравнительные исследования фиброинов" Последовательность генов 1990 Xu, M. & Lewis, R. V. "Структура белкового суперволокна – шелка паука Dragline" Механические свойства 1964 Lucas, F. "Пауки и их шелка" Впервые механические свойства паучьего шелка сопоставлены с другими материалами в научной работе. 1989 Vollrath, F. & Edmonds, D. T. "Модуляция механических свойств паучьего шелка посредством покрытия водой" Первая важная работа, предполагающая влияние воды на фиброин паучьего шелка и модулирование свойств шелка. 2001 Vollrath, F. & Shao, Z. Z. "Влияние условий прядения на механику шелка паука Dragline" 2006 Plaza, G. R., Guinea, G. V., Pérez Rigueiro, J. & Elices, M. "ЯМР 13C в твердом состоянии шелка Nephila Clavipes Dragline устанавливает структуру и идентичность кристаллических областей" Первое ЯМР-исследование паучьего шелка. 1999 Shao, Z., Vollrath, F. et al. "Анализ паучьего шелка в нативном и суперконтрактированном состояниях с использованием рамановской спектроскопии" Первое рамановское исследование паучьего шелка. 1999 Riekel, C., Muller, M. et al. "Аспекты рентгенодифракции на отдельных паучьих волокнах" Первое рентгеновское исследование отдельных паучьих шелковых волокон. 2000 Knight, D. P., Vollrath, F. et al. "β-переход и фазовое разделение, индуцированное напряжением, при прядении паучьего шелка Dragline" Подтверждение вторичного структурного перехода во время прядения. 2001 Riekel, C. & Vollrath, F. "Экструзия волокна паучьего шелка: комбинированные эксперименты микродифракции рентгеновских лучей с широким и малым углом" Первое рентгеновское исследование допа паучьего шелка. 2002 Van Beek, J. D. et al. "Структура и свойства паучьего шелка" Первая попытка связать структуру с свойствами паучьего шелка. 1994 Termonia, Y. "Паучий шелк как архетипичный белковый эластомер" Новое понимание и модель паучьего шелка, основанная на моделировании группового взаимодействия. Нативное прядение 1991 Kerkam, K., Kaplan, D. et al. "Жидкая кристаллическая природа естественных секреций шелка" 1999 Knight, D. P. & Vollrath, F. "Жидкие кристаллы и вытяжение потока в линии производства паучьего шелка" 2001 Vollrath, F. & Knight, D. P. "Конструирование, клонирование и экспрессия синтетических генов, кодирующих шелковые линии паука Dragline" Первый успешный синтез паучьего шелка с помощью E. coli. 1998 Arcidiacono, S., Kaplan, D. L. et al. "Очистка и характеристика рекомбинантного паучьего шелка, экспрессированного в Escherichia coli" 1998 Seidel, A., Jelinski, L. W. et al. "Искусственное прядение паучьего шелка" Первое контролируемое влажное прядение реконструированного паучьего шелка.

Использование человеком

Самая ранняя задокументированная попытка ткать ткань из паучьего шелка была предпринята в 1709 году Франсуа Ксавье Боном, который, используя процесс, схожий с производством шелка тутового шелкопряда, ткал из коконов яиц пауков чулки и перчатки. Пятьдесят лет спустя иезуитский миссионер Рамон Мария Термейер изобрел устройство для намотки паучьего шелка непосредственно с пауков, что позволило превращать его в нити. Ни Бон, ни Термейер не смогли добиться коммерчески выгодных объемов производства. Разработка методов массового производства паучьего шелка привела к созданию военной, медицинской и потребительской продукции, такой как баллистическая броня, спортивная обувь, средства личной гигиены, покрытия для грудных имплантатов и катетеров, механические инсулиновые помпы, модная одежда и верхняя одежда. Однако из-за сложностей извлечения и обработки, самый большой известный кусок ткани из паучьего шелка – это текстиль золотистого оттенка, изготовленный на Мадагаскаре в 2009 году. Восемьдесят два человека работали четыре года, чтобы собрать более миллиона золотых пауков-кругопрядов и извлечь из них шелк. В 2012 году волокна паучьего шелка были использованы для изготовления комплекта струн для скрипки.

Медицина

Крестьяне в южных Карпатах раньше разрезали трубки, построенные пауком Atypus, и прикладывали внутреннюю оболочку к ранам. Сообщалось, что это ускоряло заживление и способствовало срастанию с кожей. Считается, что это обусловлено антисептическими свойствами шелка, а также тем, что он богат витамином К, который помогает свертыванию крови. Шелк N. clavipes использовался в исследованиях регенерации нейронов млекопитающих.

Наука и технологии

Шелк паука использовался в качестве нити для перекрестий в оптических приборах, таких как телескопы, микроскопы и оптические прицелы для винтовок. В 2011 году шелковые волокна были использованы для генерации тонких дифракционных картин в N-щелевых интерферометрических сигналах, применяемых в оптической связи. Шелк применялся для создания биолинз, которые можно использовать совместно с лазерами для получения высококачественных изображений внутренних органов человека. Шелк использовался для подвешивания мишеней для инерционного термоядерного синтеза во время лазерного воспламенения, поскольку он сохраняет значительную эластичность и обладает высокой энергией разрушения при температурах до 10–20 К. Кроме того, он состоит из элементов с небольшим атомным номером, которые не излучают рентгеновские лучи при облучении, что могло бы привести к предварительному нагреву мишени и ограничить необходимую разницу давлений для осуществления синтеза.