Аспиранты и сотрудники международной лаборатории «Растворная химия передовых материалов и технологий» (SCAMT) ИТМО вместе с коллегами из Шведского сельскохозяйственного института (SLU) исследовали поверхность шелка пауков Linothele fallax и то, как его особенности влияют на свойство всего материала. Результаты экспериментов показали, что паутину можно использовать в хирургии и в качестве пищевой экоупаковки. О том, как проходило исследование и почему его результаты важны не только для ученых, рассказываем в нашем материале.
Что сделали ученые
Авторы исследовали паутинный шелк с помощью атомно-силовой микроскопии и сканирующего электронного микроскопа, что позволило им впервые в научном мире детально изучить поверхностные свойства паутины, например способность к сцеплению, липкость, шероховатость. Так, они выяснили, что расположенные на поверхности волокна клубочки — это его неотделимая часть, а не самостоятельные белково-углеводные комплексы.
Ученые обработали нити шелка различными растворителями, тем самым попробовав повлиять на свойства паутины. В случае с этанолом и водой изменения оказались незначительными, а вот диметилсульфоксид (ДМСО) практически полностью «смыл» все клубки с волокна — шелковая нить стала более гладкой, улучшилось сцепление между ней и материалом.
Затем исследователи проанализировали «смывы», полученные после обработки каждым из растворителей, методами ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) и жидкостной хроматографии масс-спектрометрии (ЖМ-МС). Состав «смывов» оказался примерно одинаковыми — это еще раз подтверждает, что клубочки представляют собой узлы шелковой нити.
Зачем обрабатывать волокна
Растворитель изменяет поверхностную структуру паучьего шелка, тем самым влияя на его биосовместимость — способность длительно контактировать с тканями человека, не вызывая негативной реакции. В паучьем волокне чередуются гидрофобные (нерастворимые в воде), гидрофильные (растворимые в воде), заряженные и незаряженные участки. Учитывая этот факт и то, что различные биологические объекты имеют разные свойства, применение паучьего шелка ? как в природном виде, так и после обработки ? весьма разнообразно. Богатый животным белком продукт дольше остается свежим, если его завернуть в шелк, обработанный более гидрофобными растворителями (ДМСО). Углеводные растительные материалы, напротив, сохраняют больше влаги, если их упаковать натуральной паутиной.
При этом обнаруженные в «смывах» жирные ненасыщенные кислоты проявляют антибактериальные свойства. Это дает преимущество как при работе с продуктами питания (при транспортировке не нужно обрабатывать токсичными веществами), так и в медицине ? для производства заживляющих повязок, покрытия имплантатов, хирургических нитей и применения в создании искусственных органов.
«Мы не утверждаем, что антибактериальные свойства паутинного шелка смогут полностью заменить антибиотики. В статье “смывы” показали эффективность в отношении золотистого стафилококка (Staphylococcus aureus). Мы предполагаем, что паутину можно использовать как покрытие для имплантатов, так как она не отторгается организмом и уменьшает рост бактериальных колоний», — комментирует соавтор статьи, аспирантка ИТМО Анастасия Крючкова.
Зачем изучать паутинное волокно
С момента открытия природных полимеров люди активно используют их в быту и промышленности. Добывать их и обрабатывать — порой сложный, дорогостоящий и не всегда экономически выгодный процесс. Поэтому химики, физики и биологии активно ищут способы воспроизвести природные формулы в лаборатории, а затем — и на производстве.
Натуральный паучий шелк — прочный, эластичный и гибкий материал. На сегодняшний день у него нет достойного синтетического аналога: они подражают лишь одному или паре, но не всем свойствам прототипа. Например, такие аналоги прочные, но не эластичные. Причина в том, что паутинные железы — это утонченная и слаженная система биореакторов. Пока ученым до конца не известны ни детали их работы, ни точный химический состав и архитектура самого шелка.
Почему именно Linothele fallax
У этого вида пауков из отряда птицеедов есть особенность: они плетут не радиальную паутину («кружочком»), как многие их родственники, а в виде полотна. Плюс в том, что в каждом его месте шелк по химическому составу и физическим свойствам примерно одинаковый. К тому же он очень прочный, потому что Linothele fallax плетет его из одной главной железы, прядильные трубочки которой (по ним проходит готовая нить) однородны по своей поверхности. А еще Linothele fallax очень «производительны» — за неделю они оплетают весь контейнер, в котором живут.
Каковы перспективы использования паутинного шелка
Результаты исследования сотрудников SCAMT важны не только для фундаментальной науки, но и для практических приложений. Авторы статьи планируют подробнее изучить антибактериальные свойства паучьего шелка, чтобы в дальнейшем сосредоточиться больше на медицинской сфере применения.
«Эксперименты с продуктами питания животного и растительного происхождения пока не дают очевидного результата. К тому же использовать паутину как упаковку, скорее всего, экономически невыгодно: в таких масштабах ее не произвести. Однако у паутины есть перспективы в развитии и в этой области», ? говорит Анастасия Крючкова.
Подробнее об исследовании: Aleksandra Kiseleva, Gustav Nestor, Johnny R. Ostman, Anastasiia Kriuchkova, Artemii Savin, Pavel Krivoshapkin, Elena Krivoshapkina, Gulaim A. Seisenbaeva, Vadim G. Kessler, (Biomacromolecules, 2021).
Журналист
