14.03.2011

Самые прочные бронежилеты из... паутины

Паутина считается одним из самых прочных и эластичных волокон в мире, а также она обладает антисептическими свойствами. Уже много лет ученые различных стран пытаются наладить массовое производство данного материала, чтобы изготовливать из него бронежилеты, одежду, бинты и другие необходимые вещи. Но близки ли они к успеху в этом нелегком деле?

Паутина. Фото: truthbook.com

Американские ученые пришли к выводу, что самые прочные бронежилеты можно было бы изготовить из паутины, которая обладает особой прочностью и эластичностью. Кроме того, эксперты из Университета Калифорнии, которые посвятили изучению своего предмета десятки лет, считают, что пауки производят настолько прочный шелковый материал, что изготовленные из него кабели по своим качествам опережали бы аналогичные продукты из ценных металлов.

Паутина, которая, кстати, в мире животных встречается не только у пауков, а также у ряда насекомых, клещей и многоножек, является уникальным изобретением природы. Ее строение достаточно сложно, хотя в общих чертах его можно охарактеризовать следующим образом. Любая паутинная нить имеет внутреннее ядро из белка (он называется спидроин, от английского spider, то есть паук), называемого фиброином, и окружающие это ядро концентрические слои гликопротеидных (то есть, образованные из углеводов, прикрепленных к белку) нановолокон.

Фиброин, который представляет собой вязкую, сиропообразную жидкость, полимеризующуюся и затвердевающую на воздухе, составляет примерно две трети массы паутины. Ученым удалось выяснить, что особенно часто в белках фиброина встречаются две аминокислоты: глицин (Н₂NCН₂СООН) и аланин (СН₃СHNН₂CООН). Именно последняя и делает паутинную нить суперпрочной.

Оказывается, когда несколько полиаланиновых участков различных белков сближаются, то они начинают слипаться. Далее этот слипшийся кусок сворачивается в суперспираль, причем такая структура соединяет полиаланиновые участки разных белковых молекул чрезвычайно крепко. Как говорят химики, прочность такого волокна становится близка к теоретической, то есть к прочности разрыва химических связей.

Было установлено, что в паутине полиаланиновые участки соединяются друг с другом не в одной точке, как кристаллы металла в железной проволоке, а «с перехлестом», то есть в тысяче точек одновременно. Разорвать такую сцепку труднее раз в двадцать, чем медный провод. Интересно, что при такой прочной сцепке паутинная нить продолжает оставаться эластичной. А вот за это как раз отвечает другая «массовая» аминокислота — глицин.

Участки, где много глицина, формируют плотный клубок, в который как бы вмонтированы структуры из полиаланина. Если растянуть этот клубок, его энтропия (то есть степень хаотичности) уменьшится, а свободная энергия — увеличится. Но, как только напряжение снимается, система возвращается в состояние с максимумом энтропии и минимумом свободной энергии, то есть обратно в клубок. Получается, что эластичность паутины с физической точки зрения имеет ту же природу, что и эластичность резины.

Кроме белковой и углеводной составляющей, паутина содержит еще и неорганические вещества, например, гидрофосфат и нитрат калия. Считается, что они являются неким антибиотиком, защищающим паутинную нить от грибков и бактерий. Именно они и обеспечивают антисептические свойства данного вещества, о которых люди знали еще с каменного века.

Так что, как видите, паутина вполне могла бы пригодиться человеку. И не только для бронежилетов. Ученые считают, что из нее получилась бы легкая и удобная одежда, парашюты, ковры и перевязочные средства. Проблема лишь в том, что получать ее сейчас достаточно сложно. Еще бы, ведь, согласно расчетам арахнологов, для того чтобы получить всего один метр ткани из паутины требуется «работа» более 400 пауков!

Эти существа же, в свою очередь, как правило, терпеть не могут друг друга, поэтому содержать их вместе достаточно сложно. Именно поэтому попытка впервые организовать паучью ферму (это случилось еще 300 лет назад, в XVIII веке) потерпела неудачу. Пауки, любовно собранные французским энтомологом Бон де Сент-Иле, просто съели друг друга. И дело было не в том, что закончился корм, таков уж характер этих членистоногих.

Впрочем, далеко не все из них такие мизантропы (или, точнее, мизарахны). Существуют и общественные пауки, которые живут большими колониями на одной широкой паутинной сети. Таковы, например, Theridion nigroannulatum из Южной Америки (их колонии содержат несколько тысяч особей, а диаметр сети может превышать пять метров). Кстати, в древности из его паутины изготовливали ткани парагвайские и бразильские индейцы. Также вполне перспективно разведение в неволе африканского Stegodyphus mimosarum, чьи особи строят общее мешковидное гнездо (до полутора метров в длину) и все дружно охотятся на его поверхности. Однако, как назло, паутина у этих видов не очень хорошего качества, она эластична, но рвется легче, чем у одиночных охотников (считается, что самую качественную паутину плетут представители рода Nephila, а они-то как раз склонны к одиночеству).

Кроме того, существует и способ персональной «дойки» пауков. Для этого паука за лапки приклеивают к столу скотчем, после чего осторожно выдавливают у него из паутинных желез кусочек паутинки. Его прилепляют к стеклянной палочке, которую затем вставляют в дрель и включают последнюю на маленькую скорость. Через пять минут паук оказывается полностью выдоенным. Как видите, при таком способе паукам не нужно непосредственно контактировать друг с другом, между дойками они могут существовать в персональных вольерах. Однако выход конечного продукта при таком способе получения весьма небольшой — получается сверточек паутины весом всего лишь в несколько миллиграммов.

Так что, как понимаете, содержать пауков достаточно сложно и дорого. Именно поэтому ученые в последнее время пытаются мобилизовать на производство паутины других живых существ. Еще в конце прошлого века был расшифрован ген белка паутины. С тех пор биологи пытаются вставить его в самых разных представителей живой природы, от бактерий до коз.

Казалось бы, проще всего было бы модифицировать бактерий, это легко с технической точки зрения и достаточно экономично, поскольку их содержание обходится недорого. Однако здесь микробиологи столкнулись с одной неожиданной проблемой. Как мы помним, из-за присутствия ряда веществ в своем составе паутина обладает антибактериальными свойствами. Получилось так, что через некоторое время бактерии, производящие паутину, погибли от собственного продукта. Кроме того, было установлено, что данный ген достаточно сложен и громоздок, поэтому бактерии стремились избавиться от него, что достаточно часто им удавалось.

Недавно канадские ученые попытались внедрить данный ген в клетки домашней козы (Capra aegagrus hircus), для того чтобы спидроин появился в молоке этого животного, откуда его можно будет легко извлечь. Однако их поджидало разочарование — количество данного белка в молоке оказалось ничтожным, еще меньше, чем его получалось при персональной дойке пауков.

Другим путем пошли немецкие специалисты из Гатерслебена, а также отечественный молекулярный биолог Владимир Богуш, ведущий сотрудник лаборатории белковой инженерии ГосНИИ генетики. Эти исследователи ввели гены, подобные паучьим, в растения — картофель и табак. Им удалось получить в картофельных клубнях и табачных листьях до двух процентов растворимых белков, состоящих в основном из спидроина. Однако, как показали дальнейшие исследования, введенные гены не прижились в растениях и в скором времени были вырезаны из их генома.

Учитывая неудачный предыдущий опыт, группа Богуша решила попробовать внедрить ген спидроина в микроскопические грибки дрожжи (Saccharomycetales). Здесь ген прижился достаточно хорошо. Так что в настоящее время эти грибки являются единственной в мире «биофабрикой» по производству искусственной паутины.

Делается такая паутина следующим образом — сначала наращивается биомасса, потом разрушаются клетки дрожжей, содержащих спидроин. Далее этот белок экстрагируется из получившейся смеси, после чего его выделяют в чистом виде, сушат и получают субстанцию, чем-то напоминающую вату. Сложность, однако, состоит в том, что спрясть из нее нить уже невозможно — ведь фиброин к тому времени уже затвердел. А из комка этой «ваты» никакого бронежилета, понятное дело, не изготовишь.

Так что, как видите, пока что никто не смог придумать промышленного способа получения искусственной паутины. Однако не исключено, что скоро это свершится. И тогда одежду из растительных и синтетических волокон можно будет отыскать, пожалуй что, только в музеях. Как и кевларовые бронежилеты и бинты из марли…

Антон Евсеев

Источники:

1. ПРАВДА.Ру