Паутина обладает совершенно удивительными свойствами. Из предмета биологических исследований она давно перекочевала и в другие области науки. Ранее мы писали о том, что физики обнаружили, что паутина является одним из лучших по теплопроводности материалов, а также сообщали о группе японских учёных, которые создали скрипичные струны из паучьего шёлка.
На этот раз исследователи предложили ещё одно применение этому материалу в медицине. Оказалось, что искусственная паутина может образовать капсулы для хранения лекарств и ценных реагентов. Таким образом она защитит их от преждевременного "срабатывания".
"Мы назвали нашу разработку spiderbag (паучья сумка). Наносферы, хоть и обладают небольшими размерами, но по прочности могут сравниться со стеклом. К тому же они очень эластичные. По форме они напоминают ёлочные игрушки, только в несколько раз меньше", — рассказывает руководитель исследования Томас Шайбель (Thomas Scheibel) из университета Байройта.
Эти капсулы предназначены для удержания белков и ферментов от реакции с окружающей средой. Паутина препятствует развёртыванию ферментов до тех пор, пока они не понадобятся. Пока что разработчики видят как минимум одно применение своему изобретению: наносферы могут послужить биологическим детектором, который будет определять уровень химических веществ в организме. Это пригодится для тестирования спортсменов на стероиды перед соревнованиями.
По словам Шайбеля и его коллег, процесс производства оказался не таким уж сложным. Учёные изготовили эмульсию из микроскопических капель воды и силиконового масла. Капли воды содержали в себе растворённые белки паутины. На границе между водой и маслом белки выделялись из раствора и самостоятельно собирались в шарики диаметром 50-70 нанометров. Капсулы из искусственной паутины забирали внутрь себя капли раствора.
Точно так же в водный раствор можно добавить ферменты, которые вместе с эмульсией на финальном этапе самосборки окажутся заключёнными внутри капсул и будут находиться там до тех пор, пока не понадобятся организму. Исследователи протестировали механизм с использованием фермента бета-галактозидазы и сывороточного альбумина — двух соединений, которые чаще всего используются при проведении лабораторных тестов.
По словам Шайбеля, на месте бета-галактозидазы и сывороточного альбумина может быть почти любое соединение, не вступающее в реакцию с самой паутиной.
Учёные модифицировали капсулы и первичный раствор, чтобы расширить область применения синтетической паутины. К примеру, от размера наносфер будет зависеть, в какой орган их можно ввести, а если поменять местами масло и воду (сделать капли масла в воде, а не наоборот), то капсулы будут полезны в биологических системах, нуждающихся в родственных маслу ферментах.
Возможности паутины, как естественной, так и искусственной, практически не ограничены. К примеру, если скрепить её с углеродными нанотрубками, она становится проводящей, что крайне нехарактерно для биологических материалов.
Даже природные свойства паучьего шёлка всегда поражали учёных. Веками люди собирали этот материал и использовали его в качестве бинтов: сеть примыкает к человеческой коже и образует барьер, препятствующий проникновению в раны вирусов и бактерий.
Химики называют паутину умным материалом. Она самостоятельно "находит" нужные полимеры в окружающей среде и собирается в сферические структуры, обладающие при этом прочностью и эластичностью.
Однако использовать в массовом производстве произведённую пауками паутину невыгодно. Насекомые часто убивают друг друга в борьбе за территорию и пищу, к тому же они создают не так много шёлка. Чтобы создать единый слой материи, требуется работа миллиона членистоногих на протяжении четырёх лет. Для коммерческого производства такой способ явно не подходит.
Поэтому учёные в лабораториях по всему миру привлекают к производству паутины других, менее ленивых созданий природы. Изготовлением паучьего шёлка уже занимались кишечные палочки, генно-модифицированные шелкопряды, козы и даже трава люцерна. Они создавали прочные липкие волокна или хотя бы основные белки, входящие в состав паутины.
В организме паука "шёлковые" белки находятся в беспорядочном состоянии и выстраиваются в волокнистую структуру только в ходе секреции желёз. На сегодняшний день самыми популярными способами имитации этого процесса являются выделение белков из иглы тонкого шприца и электропрядение (волокна вытягиваются из раствора под воздействием электрического заряда).
Всё зависит также от того, какую форму материала требуется получить на выходе: покрытия, капсулы, гели и пена формируются проще всего, а для создания нитей и солей требуется электропрядение или выделение белка из тонкого шприца.
Команда Шайбеля использует для производства целый завод из кишечных палочек. Эти бактерии генетически модифицированы: у них есть гены, ответственные за производство паутины. Эти гены схожи с теми, которые наблюдались у паукообразных видов Nephila clavipes и Araneus diadematus.
Одноклеточным организмам, таким как бактерия E. coli, довольно сложно производить строительные материалы для паутины, требующие создания массивных повторяющихся белков. Поэтому Шайбель и его коллеги удалили некоторые повторяющиеся элементы и адаптировали процесс производства под уже знакомые кишечным палочкам механизмы.
Добавим, что несколько лет назад Шайбель выступил сооснователем компании AMSilk, специализирующейся на массовом производстве продуктов из синтетической паутины: шампуней, кремов для лица и тела, а также эластичных бинтов.
О результатах работы немецких учёных по производству нанокапсул можно почитать в статье, опубликованной в журнале Advanced Functional Materials.
Также по теме:
Шёлк поможет сохранить вакцины и антибиотики без охлаждения
Поврежденные сухожилия заменят паутиной
Морские существа стали новым источником шёлка
У ракообразных обнаружена способность плести шёлк
Паутина защитила птиц от столкновения с невидимым стеклом
Студенты высчитали, что паутина может остановить поезд
