Mocniejszy niż stal, twardszy niż kevlar – naukowcy rzucają nowe światło na najsilniejszy na świecie pajęczy jedwab

Biofizyczka Irina Iashina z Uniwersytetu Południowej Danii trzyma w rękach włókna jedwabiu wytwarzane przez pająka złocistego. Źródło: Anders Boe/Uniwersytet Południowej Danii

Wielu naukowców pragnie odkryć niesamowitą zdolność pająków do przędzenia niezwykle mocnych, lekkich i elastycznych nici jedwabnych. W rzeczywistości jedwab pajęczy jest mocniejszy niż stal i twardszy niż kevlar. Jednak nikomu nie udało się jeszcze odtworzyć pracy pająków.

Gdybyśmy mogli opracować syntetyczny odpowiednik o takich właściwościach, mogłoby to otworzyć zupełnie nowy świat możliwości: syntetyczny jedwab pajęczy mógłby zastąpić w przemyśle materiały takie jak kevlar, poliester i włókno węglowe i mógłby być stosowany na przykład do produkcji lekkich i elastyczne produkty. Kurtki kuloodporne.

Irina Iashina, badaczka ze stopniem doktora i biofizyczka z Wydziału Biochemii i Biologii Molekularnej Uniwersytetu Południowej Danii (SDU), bierze udział w wyścigu mającym na celu odkrycie przepisu na superjedwab. Jedwab pajęczy fascynuje ją od czasów studiów magisterskich na SDU, a obecnie bada ten temat w Massachusetts Institute of Technology w Bostonie przy wsparciu Fundacji Velome.

Biofizyczka Irina Iashina z Uniwersytetu Południowej Danii bada na komputerze jedwab pajęczy. Źródło: Anders Boe/Uniwersytet Południowej Danii

W ramach swoich badań współpracuje z adiunktem SDU i biofizykiem Jonathanem Brewerem, ekspertem w zakresie stosowania różnych typów mikroskopów do badania struktur biologicznych.

Wspólnie po raz pierwszy zbadali wnętrze jedwabiu pajęczego za pomocą mikroskopu optycznego, bez konieczności cięcia lub otwierania jedwabiu w jakikolwiek sposób. Praca ta została obecnie opublikowana w czasopismach Raporty naukowe I Skanowanie zostało zakończone.

„Zastosowaliśmy kilka zaawansowanych technik mikroskopowych, a także opracowaliśmy nowy typ mikroskopu optycznego, który pozwala nam spojrzeć na kawałek włókna i zobaczyć, co jest w środku” – wyjaśnia Jonathan Brewer.

Pająk sieciowy o złotej kuli wytwarza jedwab z tylnego końca. Źródło: Anders Boe/Uniwersytet Południowej Danii

Do chwili obecnej jedwab pajęczy analizowano przy użyciu różnych technik, a każda z nich dostarczyła nowych informacji. Jednakże techniki te miały również wady, jak wskazuje Jonathan Brewer, ponieważ często wymagały rozcięcia jedwabnej nici (zwanej również włóknem) w celu uzyskania przekroju poprzecznego do mikroskopii lub zamrożenia próbek, co mogłoby zmienić strukturę włókna jedwabiu.

„Chcieliśmy zbadać czyste, niepoddane obróbce włókna, które nie zostały pocięte, zamrożone ani w żaden sposób przetworzone” – mówi Irina Iashina.

W tym celu duet badawczy zastosował mniej inwazyjne techniki, takie jak spójne rozpraszanie Ramana anty-Stokesa, mikroskopia konfokalna, mikroskopia konfokalna fluorescencyjna z odbiciem o super rozdzielczości, mikroskopia skaningowa z jonami helu i spray jonów helu.

Różne badania wykazały, że włókna jedwabiu pajęczego składają się z co najmniej dwóch zewnętrznych warstw lipidów, czyli lipidów. Za nimi, w obrębie włókienek, znajduje się wiele tak zwanych włókienek, które biegną w prostym układzie i są ciasno upakowane obok siebie (patrz rysunek). Średnica włókienek waha się od 100 do 150, czyli jest mniejsza niż granica, którą można zmierzyć za pomocą zwykłego mikroskopu optycznego.

Ilustracja z Raporty naukowe Artykuł: Schematyczne (bez skali) przedstawienie proponowanej struktury włókien jedwabiu pajęczego znalezionej w niniejszej pracy. (A) Widok z boku włókna, (B) Przekrój poprzeczny włókna. Nieprzewodząca, bogata w lipidy warstwa zewnętrzna (zielona) o grubości od 0,6 do 1 µm i dwie wewnętrzne warstwy przewodzące białka autofluorescencyjnego: jedna wykazująca większe powinowactwo do FITC (niebieski) i druga rodamina B wykazująca większe powinowactwo do (pomarańczowy). Wewnętrzny rdzeń białkowy składa się z włókien krystalicznych, ułożonych równolegle do długiej osi włókna, otoczonych amorficznymi obszarami białkowymi. Źródło: Iachina/Brewer, Uniwersytet Południowej Danii.

„Nie jest skręcony, jak można by sobie wyobrazić, więc teraz wiemy, że nie ma potrzeby skręcania go, gdy próbujemy zrobić sztuczny jedwab pajęczy” – mówi Irina Iashina.

Iachina i Brewer pracują z włóknami jedwabiu pająka złotej kuli, Nephila madagascariensis, który wytwarza dwa różne rodzaje jedwabiu: jeden, zwany MAS (główne włókno jedwabiu ampułkowego), służy do budowy pajęczej sieci i jest również jedwabiem do którego pająk się przyczepia. Irina Iashina nazywa to siłą napędową pająka. Jest bardzo mocny i ma średnicę około 10 mikrometrów.

Drugie, zwane MiS (mikroampullarne włókna jedwabiu), służy jako pomoc budowlana. Jest bardziej elastyczny i zwykle ma średnicę 5 mikrometrów.

Według analizy binarnej jedwab MAS zawiera włókienka o średnicy około 145 nm. Jeśli chodzi o MiS to jest to około 116 nm. Każde włókno składa się z białek i zaangażowanych jest kilka różnych białek. Białka te są produkowane przez pająka podczas wytwarzania włókien jedwabiu.

Zrozumienie, w jaki sposób powstają tak mocne włókna, jest ważne, ale ich produkcja również stanowi wyzwanie. Dlatego badacze w tej dziedzinie często polegają na pająkach przy produkcji jedwabiu.

Zamiast tego mogą skorzystać z metod obliczeniowych, nad czym obecnie pracuje Irina Iashina Instytut Technologii w Massachusetts: „W tej chwili prowadzę symulację komputerową przemiany białek w jedwab. Celem jest oczywiście nauczenie się, jak wytwarzać sztuczny jedwab pajęczy, ale interesuje mnie także przyczynienie się do lepszego zrozumienia otaczającego nas świata .”

Bibliografia: „Nanoskopowe obrazowanie pierwotnego i wtórnego jedwabiu ampułek z pająka orb-web Nephila Madagascariensis” autorstwa Iriny Iachiny, Jacka Wiotowskiego, Horsta Güntera Rubana, Fritza Vollratha i Jonathana R. Breuera, 24 kwietnia 2023 r., Raporty naukowe.
doi: 10.1038/s41598-023-33839-z

„Mikroskopia jonów helu i cięcie pajęczego jedwabiu”: Irina Iashina, Jonathan R. Breuer, Horst Günter Ruban i Jacek Wojtowski, 22 maja 2023 r., Skanowanie zostało zakończone.
doi: 10.1155/2023/2936788