Ученые приблизились к разгадке секретов самого прочного паучьего шелка в мире
В мире материаловедения паучий шелк вызывает восхищение. Это сверхпрочный, невероятно легкий и удивительно гибкий материал. Однако, несмотря на неустанные усилия многих исследователей, сложный процесс, с помощью которого пауки создают это необычное вещество, остается загадкой.
Если ученые смогут разгадать код, синтетический паучий шелк произведет революцию в промышленности, вытеснив кевлар, полиэстер и углеродное волокно. Этот материал может изменить все - от производства пуленепробиваемых жилетов до строительных материалов. Биофизик Ирина Иачина изучает паучий шелк с момента получения степени магистра в Университете Южной Дании (SDU). Сейчас она проводит свои исследования в Массачусетском технологическом институте при финансовой поддержке фонда Villum.
В сотрудничестве с биофизиком Джонатаном Брюэром из SDU Иачина недавно совершила беспрецедентный прорыв в исследовании паучьего шелка. Впервые паре удалось проникнуть во внутреннюю структуру паучьего шелка без необходимости разрезать или каким-либо образом повреждать волокно. Новаторское исследование опубликовано в журнале Scientific Reports.
"Мы использовали несколько передовых методов микроскопии, а также создали новый тип оптического микроскопа, который позволяет нам заглянуть глубоко внутрь волокна и визуализировать его внутреннюю структуру", - объяснил Брюэр.
В предыдущих попытках анализа паучьего шелка использовались методы, которые требовали разрезания волокна для получения поперечного сечения или даже замораживания образцов. Хотя эти методы позволяли получить новые знания, Брюэр указывает на очевидные недостатки. Эти процессы неизменно изменяли естественную структуру шелка, что потенциально искажало выводы.
"Мы стремились исследовать чистые, неповрежденные волокна, которые не были разрезаны, заморожены или подвергнуты каким-либо манипуляциям", - говорит Иачина.
Чтобы избежать необходимости инвазивных процедур, команда использовала такие методы, как когерентное антистоксово комбинационное рассеяние, конфокальная микроскопия, конфокальная микроскопия флуоресценции с ультраразрешением, сканирующая гелий-ионная микроскопия и гелий-ионное распыление.
В результате проведенных исследований было установлено, что волокна паучьего шелка состоят как минимум из двух внешних липидных (жировых) слоев. За этими слоями, внутри волокна, находятся многочисленные плотно упакованные фибриллы, расположенные в линейном порядке.
Эти фибриллы, диаметр которых составляет от 100 до 150 нанометров, находятся за пределами возможностей измерения обычными световыми микроскопами. "Они не скручены, как мы могли себе представить, что говорит о том, что нет необходимости скручивать их при создании синтетического паучьего шелка", - сказала Иачина.
В ходе исследования особое внимание было уделено шелку золотистого паука-орляка, Nephila Madagascariensis, который производит два различных типа шелка.
Основные ампулированные шелковые волокна (MAS) используются для построения паутины и служат в качестве спасательного круга. Он прочный и имеет диаметр около 10 микрометров. Волокна малоампульного шелка (MiS) используются для строительства вспомогательных сооружений. Он более эластичен с типичным диаметром 5 микрометров.
Анализ показал, что шелк MAS содержит фибриллы диаметром около 145 нанометров, а у MiS - около 116 нанометров. Эти фибриллы состоят из множества белков, вырабатываемых пауком в процессе производства шелка.
