Паутинный шёлк впервые получен от шелкопрядов, предлагая экологичную альтернативу синтетическим волокнам

Учёные из Китая синтезировали паутинный шёлк из генетически модифицированных шелкопрядов, получив волокна, в шесть раз более прочные, чем кевлар, используемый в бронежилетах.

Исследование, опубликованное 20 сентября в журнале Matter, впервые успешно произвело полноразмерные белки паутинного шёлка с использованием шелкопрядов. Результаты демонстрируют метод, который можно применять для производства экологичной альтернативы синтетическим коммерческим волокнам, таким как нейлон.

"Шёлк шелкопряда в настоящее время является единственным волокном животного происхождения, коммерциализированным в больших масштабах, с хорошо отработанными методами разведения", — сказал Ми. "Следовательно, использование генетически модифицированных шелкопрядов для производства волокна паутинного шёлка позволяет добиться низкой стоимости и крупномасштабной коммерциализации".

Учёные рассматривали паутинный шёлк как многообещающую устойчивую альтернативу синтетическим волокнам, которые могут выделять вредные микропластики в окружающую среду и часто производятся из ископаемого топлива, генерирующего выбросы парниковых газов. Однако обращение к природе за альтернативами не лишено проблем.

Ранее разработанные процессы для прядения искусственного паутинного шёлка сталкивались с трудностями при нанесении поверхностного слоя гликопротеинов и липидов на шёлк, помогающего ему противостоять влажности и воздействию солнечного света — "кожного слоя", защищающего от старения, который пауки наносят на свои сети.

Генетически модифицированные шелкопряды предлагают решение этой проблемы, говорит Ми, поскольку шелкопряды покрывают собственные волокна аналогичным защитным слоем.

"Паутинный шёлк представляет собой стратегический ресурс, в срочном порядке нуждающийся в изучении", — сказал Цзюньпэн Ми, аспирант Колледжа биологических наук и медицинской инженерии Университета Дунхуа и первый автор исследования.

"Исключительно высокие механические характеристики волокон, произведённых в этом исследовании, имеют значительные перспективы в этой области. Этот тип волокна может быть использован в качестве хирургических шовных материалов, удовлетворяя глобальный спрос, превышающий 300 миллионов процедур ежегодно".

Волокна паутинного шёлка также могут быть использованы для создания более удобной одежды и инновационных типов бронежилетов, говорит Ми, и они могут найти применение в умных материалах, военной, аэрокосмической технике и биомедицинской инженерии.

Чтобы получить паутинный шёлк от шелкопрядов, Ми и его команда ввели гены белка паутинного шёлка в ДНК шелкопрядов, чтобы он экспрессировался в их железах, используя комбинацию технологии редактирования генов CRISPR-Cas9 и сотен тысяч микроинъекций в оплодотворённые яйца шелкопряда.

Микроинъекции представляли "одну из самых значительных проблем" в исследовании, сказал Ми, но когда он увидел, как глаза шелкопрядов светятся красным под флуоресцентным микроскопом — признак того, что редактирование генов прошло успешно — он был вне себя от радости.

Исследователям также потребовалось провести "локализационные" модификации трансгенных белков паутинного шёлка, чтобы они правильно взаимодействовали с белками в железах шелкопряда, обеспечивая правильное прядение волокна. Для разработки модификаций команда создала "минимальную базовую структурную модель" шёлка шелкопряда.

"Эта концепция 'локализации', представленная в данной работе, наряду с предложенной минимальной структурной моделью, представляет собой значительный отход от предыдущих исследований", — говорит Ми. "Мы уверены, что крупномасштабная коммерциализация не за горами".

В будущем Ми планирует использовать понимание прочности и жёсткости волокон паутинного шёлка, полученное в текущем исследовании, для разработки генетически модифицированных шелкопрядов, производящих волокна паутинного шёлка как из природных, так и из искусственно созданных аминокислот.

"Введение более ста искусственных аминокислот открывает безграничный потенциал для инженерных волокон паутинного шёлка", — говорит Ми.