Добавление ДНК паука к шелкопрядам делает шелк прочнее, чем кевлар

Вы не можете выращивать пауков, но внедрение паучьих генов в шелковичных червей работает еще лучше.

Изучение и копирование природных моделей, систем или элементов для решения сложных человеческих проблем известно как «биомиметика». Пятьсот лет назад пожилой итальянский эрудит провел месяцы, наблюдая за парящим полетом птиц. Результатом стал биомиметический «Кодекс о полете птиц» Леонардо да Винчи, один из основополагающих текстов в науке аэродинамики. Это наука, которая возвысила братьев Райт и еще не достигла своего пика .

Сегодня биомиметика повсюду. Плавки, вдохновленные акулами, клеи , вдохновленные гекконами , и водоотталкивающие средства, вдохновленные лотосами, — все это взято из наблюдений за миром природы. После миллионов лет эволюции у природы припасено немало хитростей. Это трюки, которым мы можем научиться. И теперь, благодаря паучьей ДНК и умной генной инженерии, у нас есть еще один вид, который можно добавить в этот список.

Мы уже давно знаем, что паучий шелк уникален тем, что не могут повторить синтетические волокна. Нейлон невероятно прочен (он может выдерживать большую силу), а кевлар невероятно прочен (он может поглощать большую силу). Но ни один из них не является одновременно сильным и жестким. Во всех искусственных полимерных волокнах прочность и ударная вязкость являются взаимоисключающими, поэтому мы выбираем материал, который лучше всего подходит для работы, и справляемся.

Паучий шелк, натуральное полимерное волокно, нарушает это правило. В каком-то смысле это одновременно сильно и жестко. Неудивительно, что паучий шелк является источником многочисленных исследований.

Проблема, однако, в том, что пауков невероятно сложно выращивать, не говоря уже о сельском хозяйстве. Если вы соберете их вместе, они будут атаковать и убивать друг друга, пока не выживет только один или несколько. Если поместить 100 пауков в закрытое пространство, они начнут агрессивные арахноцидные « Голодные игры» . Вам нужно дать каждому свое пространство и границы, а паучий отель — это сложно и дорого. С другой стороны, шелковичные черви миролюбивы и продуктивны. Они будут торчать здесь целый день, чтобы сделать шелк, который веками использовался в текстиле. Но шелк тутового шелкопряда хрупкий. Он имеет очень ограниченное применение.

Таким образом, неуловимый – и прибыльный – трюк заключается в том, чтобы генетически сконструировать шелкопряда для производства шелка паучьего качества. Пока что усилия оказались безрезультатными. То есть до сих пор.

Цзюньпэн Ми и его коллеги , работающие в Университете Дунхуа в Китае, использовали технологию редактирования генов CRISPR, чтобы перекодировать свойства тутового шелкопряда по созданию шелка. Сначала они взяли гены у Araneus ventricosus , восточноазиатского паука-кругопряда, известного своей прочной паутиной. Затем они поместили эти сложные гены – гены, которые включают более 100 аминокислот – в яйцеклетки тутового шелкопряда. (Это описание не отражает того, насколько трудоемкой, технической и трудоемкой была эта процедура; эта процедура требует сотен тысяч микроинъекций.)

Все это делалось раньше, и раньше это не удавалось. В чем Ми и его команда преуспели, так это в использовании концепции под названием «локализация». Локализация предполагает сужение очень конкретного места в геноме. Для этого эксперимента команда из Университета Дунхуа разработала «модель минимальной базовой структуры» шелка тутового шелкопряда, которая направляла генетические модификации. Они хотели убедиться, что у них есть именно те трансгенные белки паучьего шелка. Ми сказал, что объединение локализации с этой базовой структурной моделью «представляет собой значительный отход от предыдущих исследований». И, судя только по результатам, возможно, он прав. Они успешно синтезировали «волокна, показавшие впечатляющую прочность на разрыв (1299 МПа) и ударную вязкость (319 МДж/м3), превосходящую прочность кевлара в 6 раз».

Исследование Ми представляет собой разрушение барьера. Это открывает чрезвычайно важные возможности для будущих биомиметических материалов. По словам Ми: «Это новаторское достижение эффективно решает научные, технические и инженерные проблемы, которые препятствовали коммерциализации паучьего шелка, позиционируя его как жизнеспособную альтернативу коммерчески синтезируемым волокнам, таким как нейлон, и способствуя развитию экологической цивилизации».

Около 60 процентов нашей одежды изготовлено из синтетических волокон, таких как нейлон, полиэстер и акрил. Эти пластмассы полезны, но зачастую вредны для окружающей среды. Они попадают в наши водные пути и иногда наносят вред дикой природе. Производство этих волокон является источником выбросов парниковых газов. Теперь у нас есть «устойчивая, экологически чистая, высокопрочная и сверхпрочная альтернатива». Шелкопряды могут производить шелк в шесть раз прочнее, чем кевлар, и в десять раз прочнее, чем нейлон.

Нам не следует увлекаться. Это не изменит текстильную промышленность в одночасье. Генно-отредактированные тутовые шелкопряды по-прежнему будут производить сравнительно небольшое количество шелка, даже если их выращивать миллионами. Но, как признает сам Ми, это только начало. Если методы локализации и структурной модели Ми столь замечательны, как кажутся, то это открывает двери для огромного количества суперматериалов.

Природа продолжает вдохновлять. У нас были птица, геккон и акула. Теперь у нас есть паук-шелкопряд. Какие новые тайны нам предстоит разгадать в будущем? И каким захватывающим образом это изменит мир?

Перевод с английского

ИСТОЧНИК

Теги: Roma Dori