Искусственная паутина догнала настоящую по механическим свойствам

Американские биохимики получили в лабораторных условиях нити, состоящие из рекордно длинных молекул спидроина — белка, из которого пауки плетут паутину. Использовав рекомбинантные ДНК и метод сплайсинга белков, ученые получили полипептид с молекулярной массой более 500 килодальтон — это почти в два раза больше, чем у аналогичных молекул, которые синтезируются в природных условиях. Из этих белков ученые получили нити, по своим механическим свойствам — прочности на разрыв, растяжимости и жесткости — не уступающие паутине, пишут ученые в Biomacromolecules.

Паутина — один из самых прочных естественных материалов: прочность ее нитей на разрыв может достигать 1,3 гигапаскаля (для сравнения, прочность некоторых марок стали не превышает нескольких сотен мегапаскалей). Основной материал паутины — это два вида белков: более прочный спидроин I и более упругий спидроин II. Воспроизвести получение нитей из этих белков в искусственных условиях практически невозможно: разводить пауков, в отличие от шелковичных червей, очень тяжело, а получение подобного материала в лабораторных условиях пока не позволяет добиться нужных механических характеристик.

Состав спидроина известен: белок состоит из большого количества фрагментов двух типов — участков, содержащих только аланин, и участков, преимущественно состоящих из глицина, но включающих в свой состав и другие аминокислоты. Однако при получении этих молекул в лаборатории они оказывались слишком короткими, поэтому по своим механическим свойствам были далеки от природного спидроина.

Чтобы увеличить длину молекул спидроина, синтезируемого искусственно, американские биохимики под руководством Фучжуна Чжана (Fuzhong Zhang) из Вашингтонского университета в Сент-Луисе предложили использовать рекомбинантные молекулы ДНК. В этих молекулах искусственным образом созданы повторяющиеся последовательности нуклеотидов, отвечающие за синтез правильных участков белка, и при трансляции синтезируется рекомбинантный белок увеличенной длины. Благодаря этому подходу уже удавалось синтезировать рекомбинантный спидроин, однако максимальная масса полученных таким молекул не превышала 285 килодальтон (для сравнения, молекулярная масса естественного спидроина составляет около 310 килодальтон).

Для увеличения молекулярной массы синтезированного белка ученые немного модифицировали эту методику: уже после трансляции рекомбинантного белка, его молекулярную массу увеличивали с помощью техники сплайсинга. При таком подходе из молекулы вырезается внутренний фрагмент — интеин, — а на место разрезов место присоединяются концевые белковые последовательности. Интеины могут соединяться между собой, поэтому, если одну молекулу белка «обрезать» с N-конца, а другую — с C-конца, а потом соединить их между собой, то молекулярную массу белка можно фактически увеличить вдвое.

С помощью предложенного подхода ученые синтезировали спидроин на основе ДНК, выделенного из пауков вида Nephila clavipes, массу которого удалось увеличить сразу до 556 килодальтон — в таком белке содержится 192 повторяющихся участка спидроина. Из этих белковых цепочек ученые получили нити диаметром в несколько микрометров, которые по своим механическим свойствам не уступили естественным волокнам в паутине. Прочность нитей на разрыв составила 1,03 гигапаскаля, модуль упругости — 13,7 гигапаскаля, растяжимость — 18 процентов, а жесткость — 114 мегаджоулей на кубический метр. Кроме того, механические свойства полученных материалов оказались напрямую связаны с молекулярной массой белка — чем больше аминокислот включает в свой состав молекула, тем прочнее будет нить, состоящая из этих белков. Раньше эту закономерность удавалось показать только для относительно коротких белков.

По словам авторов исследования, полученные волокна уже сейчас можно использовать в приложениях, требующих использования особо прочных нитей микрометровой толщины. Кроме того, в будущем с помощью аналогичного подхода можно довольно просто получать в лабораторных условиях и другие типы природных материалов.

Стоит отметить, что для получения аналогичных сверхпрочных нитей не всегда используют только белки паутины и шелка. Например, недавно шведские химики синтезировали искусственный аналог нити паутины, который лишь на десять процентов состоит из паучьего белка, а оставшиеся 90 процентов составляют целлюлозные нановолокна, полученные из древесины. Фиброин — белок, входящий в состав шелка — используют и для получения других типов композиционных материалов. Так, объединив его с силиконом, американские материаловеды создали материал, способный менять свои магнитные свойства при нагревании светом.

Александр Дубов