В Китае создали тутового шелкопряда, который прядет паутину

Исследователи из университета Дунхуа (Шанхай) и других научных центров Китая предложили теорию, объясняющую, почему шелк тутового шелкопряда уступает по прочности паутине, а также почему прочность на разрыв и ударную вязкость трудно совместить в одном материале. Для подтверждения своей теории авторы создали модифицированного тутового шелкопряда, производящего шелк, сходный с паутиной. Этот шелк оказался более прочным, чем шелк дикого типа.

Как шелк и паутина, так и нейлон с кевларом состоят из полиамидных волокон (с точки зрения органической химии белки являются полиамидами). Состав натурального шелка послужил источником вдохновения для создателей нейлона. Механические свойства шелка определяются четвертичной структурой его молекул, на которую влияют первичная структура белка и процесс прядения. Молекулы белков шелка содержат повторяющиеся последовательности аминокислот (Gly-Ala-Gly-X), которые образуют упорядоченные бета-структуры (параллельные или антипараллельные фрагменты белковой цепи). Подобные повторы есть и в белках паучьего шелка. Слабые, но многочисленные нековалентные взаимодействия, формирующие четвертичные структуры, прежде всего водородные связи, по-видимому, играют важную роль в механических свойствах волокон.

Заменить синтетические волокна природными, на основе белков, — давняя мечта технологов. Однако в коммерческих масштабах до сих пор удается производить только непрочный шелк шелкопряда. Паучий шелк отличается высокой прочностью на разрыв и высокой ударной вязкостью при малой плотности. Однако выращивать пауков в культуре сложно из-за их склонности к каннибализму, а синтетический паучий шелк менее прочен, в том числе из-за отсутствия защитного кутикулярного слоя, который покрывает нити паутины и натурального шелка. Трансгенный шелкопряд, производящий паучий шелк, мог бы решить эту проблему: шелкоотделительные железы гусениц шелкопряда и паутинные железы пауков весьма схожи. 

Считается, что хорошие механические свойства природных и синтетических волокон обеспечивает высокая когезионная энергия (энергия, которая необходима, чтобы разорвать межмолекулярные связи в одном моле вещества). Однако у шелка тутового шелкопряда этот показатель выше, чем у паучьего шелка. Для нейлона характерна высокая ударная вязкость, но не прочность на разрыв. Кевлар знаменит высокой прочностью, но ударная вязкость у него ниже, чем у нейлона. Авторы предложили следующее объяснение: на эти свойства влияет не только количество водородных и других нековалентных связей, но также их динамика при внешнем воздействии.

Во время упругой деформации относительное расположение молекул не изменяется, чему способствуют внутри- и межмолекулярные нековалентные связи. При пластической деформации межмолекулярные водородные связи разрушаются и возникают в новых местах. Это свойство коррелирует с высокой ударной вязкостью; хрупкие материалы им не обладают. Оно возрастает с увеличением длины молекулы, поскольку растет допустимая длина скольжения. В кевларе плотность водородных связей выше, чем в нейлоне, что обуславливает прочность. Однако слишком большая суммарная сила водородных связей, превышающая критическое значение, которое могут выдержать ковалентные связи в молекулярных цепочках материала, повышает хрупкость, что и происходит в случае кевлара. Что касается паучьего шелка, в нем нековалентные связи организованы оптимально: силы межмолекулярного трения в нем немного ниже критического значения, что дает и прочность, и ударную вязкость (видео 1, 2, 3).

Затем авторы детально исследовали четвертичную структуру шелка. Тяжелые цепи фиброина тутового шелкопряда имеют более высокую молекулярную массу, чем белки паучьего шелка, и содержат больше бета-структур, но шелк менее прочен. По оценкам авторов, из-за бета-структур в фиброине преобладают внутримолекулярные водородные связи, а межмолекулярных относительно немного (видео 4). Такая структура обеспечивает небольшую прочность на разрыв при относительно высоком сопротивлении поперечному сдавливанию (например, если кокон схватит птичий клюв). В то же время нить паутины эволюционировала именно в направлении высокой прочности на разрыв.

Для проверки теории авторы получили с помощью CRISPR-Cas тутовых шелкопрядов, экспрессирующих спидроин малых ампулярных желез паука (MiSp). Трансгенному белку оставили концевые участки фиброина, чтобы обеспечить его успешную секрецию. (Конструкцию для редактирования вводили в яйца, успешную трансформацию определяли по экспрессии красного флуоресцентного белка в глазах взрослого насекомого.)

Содержание бета-структур в волокнах шелка трансгенных шелкопрядов уменьшалось, и что самое замечательное — увеличивалась прочность на разрыв. Механические свойства еще удалось улучшить, варьируя скорость принудительного вытягивания нити из головы насекомого. Более высокая скорость позволяла получать более тонкие нити, более прочные и с большей ударной вязкостью. Авторы предполагают, что это связано с повышенным содержанием бета-структур во внешних слоях нити, но вопрос нуждается в дополнительном изучении.

Исследователи получили образец с весьма высокой прочностью на разрыв (1299 мегапаскалей) и высокой ударной вязкостью (319 мегаджоулей на м³). Для сравнения, у самого прочного известного биоматериала — паутины, которую прядет паук Дарвина (Caerostris darwini), — эти показатели составляют 1652 МПа и 350 МДж/м³; у кевлара 3600 и 50 соответственно.

Белки паучьего шелка образуют гидрогель при температуре тела человека