Учёные создали биосинтетический шёлк из бактерий, превосходящий предыдущие аналоги по прочности

Паучий шёлк — один из самых прочных и жёстких материалов в природе, сравнимый по прочности со стальными сплавами, а по ударной вязкости превосходящий даже бронежилетный кевлар. Его уникальное сочетание свойств делает этот белковый материал желанным для множества применений — от сверхтонких хирургических швов до пулестойкой одежды. Однако из-за территориальности и каннибализма пауков массовое производство их шёлка невозможно, и практическое применение до сих пор не реализовано.

Учёные уже создавали некоторые формы синтетического паучьего шёлка, но не могли воспроизвести материал, обладающий большинством или всеми свойствами натурального.

До настоящего момента.

Исследователи из Школы инженерии и прикладных наук Университета Вашингтона в Сент-Луисе создали бактерии, производящие биосинтетический паучий шёлк, чьи ключевые характеристики соответствуют натуральным аналогам. И они обнаружили кое-что важное о будущих возможностях.

Новое исследование, опубликованное 20 августа в Biomacromolecules, показывает, что предел прочности на разрыв и ударная вязкость паучьего шёлка остаются положительно коррелированными с его молекулярной массой — чем больше молекула, тем прочнее шёлк — даже для синтетического шёлка с массой почти вдвое больше, чем у предыдущего рекордсмена.

"Люди уже знали об этой корреляции, но только для белков меньшего размера. Мы обнаружили, что даже при таком большом размере корреляция остаётся очень чёткой", — заявил Фучжун Чжан, доцент Школы инженерии и прикладных наук.

Одной из главных исторических проблем при создании биосинтетического паучьего шёлка было получение достаточно крупного белка. Задача была настолько сложной, что потребовала совершенно нового подхода.

"Мы начали с того, что делали другие: создали генетически повторяющуюся последовательность", — сказал Кристофер Боуэн, аспирант лаборатории Чжана.

ДНК-последовательность была смоделирована на основе последовательности у пауков, ответственной за создание шёлкового белка. Теоретически, чем больше повторов последовательности, тем крупнее конечный белок.

Однако, когда размер ДНК-последовательности достигает определённого предела, "бактерии не справляются, они разрезают последовательность на более мелкие части", — пояснил Боуэн. Эта проблема возникала во многих предыдущих попытках. Чтобы обойти это давнее препятствие, Боуэн и его соавторы добавили к шёлковой ДНК короткую генетическую последовательность, которая способствует химической реакции между образующимися белками, объединяя их в ещё более крупный белок — крупнее, чем когда-либо удавалось произвести и очистить.

"Мы создали белки, по сути, в два раза больше, чем кто-либо мог сделать до этого", — сказал Боуэн.

Их цепи шёлкового белка имеют массу 556 кДа. Ранее самый крупный биосинтетический белок паучьего шёлка весил 285 кДа. Даже натуральные белки паутины-несущей нити обычно составляют около 370 кДа, хотя есть и более крупные исключения.

Впоследствии Боуэн и соавторы спряли свои исключительно крупные биосинтетические шёлковые белки в волокна диаметром примерно в десятую часть человеческого волоса и протестировали их механические свойства. Этот биосинтетический шёлк стал первым, который воспроизводит натуральный паучий шёлк по:

• Пределу прочности на разрыв (максимальное напряжение, необходимое для разрыва волокна)
• Ударной вязкости (общая энергия, поглощаемая волокном до разрыва)
• Другим механическим параметрам, таким как модуль упругости и растяжимость.

В дальнейшем лаборатория Чжана планирует работать над тем, чтобы биосинтетические шёлковые волокна могли заменить некоторые из множества нефтехимических синтетических волокон, используемых в промышленности.

"Мы продолжим работать над тем, чтобы сделать процесс более масштабируемым и экономичным, упростив обработку, сократив количество необходимых химикатов и повысив надёжность и эффективность", — сказал Чжан.

Группа Чжана также планирует глубже изучить пределы своего нового подхода. Помимо создания первых биосинтетических шёлковых волокон, полностью повторяющих характеристики натурального паучьего шёлка, их работа убедительно свидетельствует, что прочность и ударная вязкость этих волокон будут продолжать расти, если удастся производить ещё более крупные белки.