Протеин паучьего шёлка имеет репутацию одного из самых сильных и прочных материалов, вне зависимости от веса. Прочнее, чем некоторые стальные сплавы и жёстче, чем кевлар (особо прочное синтетическое волокно на основе полиамидов для замены стали, характеризующееся повышенной ударостойкостью). Упрочнённый материал может использоваться в широком спектре областей применения: от супертонких хирургических ниток для наложения швов до пуленепробиваемых материалов. К сожалению, в отличие от шелкопрядных червей пауков, как правило, трудно выращивать из-за их территориального характера и каннибальской природы, вследствие чего паучий шёлк всегда избегал массового производства. Так, специалисты по материаловедению потратили много лет на поиск синтетических альтернатив, вдохновляясь у паукообразных.
Теперь, Чжан Фуйонг и его коллеги из Университета Вашингтона в Сент-Луисе, штат Миссури, разработали бактерии для производства биосинтетического паучьего шёлка, который сопоставим по физическим характеристикам с его естественными аналогами. Разработанный протеин в два раза больше, чем любой из такого типа белка, синтезированного ранее. Его белковые цепочки составляют 556 килодальтонов и содержат 192 повторяющихся участка спидроина. Раньше наибольший биосинтетический протеин паучьего шёлка составлял всего 285 кДа. Даже каркасная нить натурального шелка обычно имеет всего 370 кДа, хотя бывают и более высокие выпадающие показатели. Прочность на разрыв и жёсткость белка положительно коррелирует с его молекулярной массой, как и в случае с натуральным шелком.
«Людям уже было известно об этой корреляции, но только с белками меньшего размера», – объясняет Чжан. «Мы обнаружили, что даже при больших размерах все еще существует очень хорошая корреляция». Ключом к успеху команды было использование повторяющихся последовательностей паутинного шелка для разработки его синтетической версии, чтобы они могли сделать ее максимально большой, по возможности. Конечно, существует предел, в котором бактерии больше не могут справиться с длиной белка, а их ферменты расщепляют его на более мелкие куски. Команда обошла эту хорошо известную проблему, добавив дополнительную последовательность ДНК, которая способствует химической реакции между образующимися белками, чтобы они сливались.
Имея этот материал, команда закрутила синтетические протеины из шелка в волокна для механических испытаний. Прочность нитей на разрыв составила 1,03 гигапаскаля, модуль упругости — 13,7 гигапаскаля, растяжимость — 18 процентов, а жесткость — 114 мегаджоулей на кубический метр.
«Мы продолжим работу над тем, чтобы сделать процесс более масштабным и экономичным, упростив его обработку, уменьшив количество необходимых химических веществ и повысив надежность и эффективность», – уверяют исследователи. Команда теперь надеется исследовать пределы своего нового подхода, надеясь, что они смогут добавить еще больше массы в свой биосинтетический шелк и, возможно, сымитировать свойства паутинного шелка и, возможно, в один прекрасный день сделать материал, который даже сможет превзойти его.
