Синтетический паучий шелк — Mentamore
Знаете ли вы, что одной самых дорогих тканей в мире считается паучий шёлк. Стоимость одного квадратного метра варьируется в пределах 500 тысяч долларов. Ценообразование основано не столько на уникальных свойствах этого шелка (красота, прочность выше, чем у стали или кевлара, сфера применения от изготовления бронежилетов до электроники), сколько на сложности получения самой нити.
Синтетический паучий шелк
Немного из истории паучьего шелка
Синтетический паучий шелк не относится к разработкам последних десятилетий: в Китае ткань из паутины производили еще много веков назад. По одной из местных легенд шелк был случайно открыт первой супругой императора Хуанг-Ти, который правил 2698-2598 г.г. до нашей эры. Наряды из этого уникального материала были доступны только самым состоятельным людям.
В 18 веке европейцы также предпринимали попытки получить ткань из паутины паука-крестовика. Оказалось, что для получения небольшого отреза ткани необходимы колоссальные затраты: для 400 грамм пряжи уничтожается 700 пауков.
Создавать паучьи «фермы» также оказалось неблагодарным делом: во-первых, членистоногие плохо приживались в других природных условиях, а во-вторых, среди экземпляров, которым все-таки удалось выжить, был замечен высокий уровень каннибализма.
Попытки сделать технологию получения синтетического паучьего шелка более доступной неоднократно предпринимались учеными разных стран. Но значительного успеха удалось добиться только в последние годы.
Три самые успешные попытки создания синтетического паучьего шелка
История первая – японская.
Японский стартап Spiber в 2004 году представил свою уникальную разработку – синтетическая паутина Qmonos. Это был первый успешный опыт получения искусственного фиброина (белок, выделяемый паукообразными) в лабораторных условиях при помощи генной инженерии. Но, несмотря на столь значимое открытие, инвесторы не спешили вкладывать в производство свои «кровные».
Так было вплоть до 2015 года, когда удалось привлечь инвестиций порядка 100 млн.
дол. Основную часть этих средств предоставила компания Goldwin, широко известная благодаря своему бренду North Face (верхняя одежда). Первые куртки из синтетического шелка уже были представлены общественности. По словам главы компании Spiber, в случае успеха удастся снизить стоимость 1 кг материала до 100 дол.
История вторая – американская
Исследователи Кембриджского университета разработали принципиально новый подход: получение шелкового волокна из гидрогеля, который на 2% состоит из кремнезема и целлюлозы, скрепленных бесцветным кристаллическим веществом кукурбитурилом, оставшиеся 98% — вода, испаряющаяся в течение получаса после получения волокон.
Химический процесс между элементами дает возможность получать тонкие и сверхпрочные нити гелия, толщиной всего несколько миллионных долей метра. Еще одним уникальным свойством полученных волокон является их способность самовосстанавливаться при комнатной температуре.
Полученное сырье превосходит по прочности другие синтетические ткани, но уступает натуральному паучьему шелку.
Но следует также понимать, что для синтетического производства требуется гораздо меньше энергозатрат.
История третья – Америка (часть вторая)
Малоизвестный американский стартап Bolt Threads предложил свой вариант производства синтетического шелка, по своим свойствам близкого к натуральному.
Приступая к работе, инженеры тщательно изучили работу пауков-золотопрядов вида Nephila, и, исходя из собранных данных, создали альтернативный вариант получения шелка с применением генно-инженерных дрожжей и особых микроорганизмов, способных вырабатывать протеин в большом количестве. Всех деталей производства в компании пока не раскрывают.
Первые образцы ткани, полученные таким способом, использовали для производства 50 галстуков (стоимостью 314 дол/шт). К слову, галстуки раздали бесплатно в качестве рекламной кампании. В будущем Bolt Threads планирует производить различную одежду, которая будет иметь уникальные эксплуатационные свойства и доступную стоимость.
Производство синтетических тканей и шелка в частности – это не только способ получения качественных материалов с более низкой себестоимостью, это шанс сократить объемы потребления сточных вод, которые идут на обеспечение нужд текстильной промышленности. Кроме того, это позволит сократить спрос на ткани, в составе которых есть нефтяные продукты.
Что такое синтетический паучий шелк и почему это ткань будущего?
Паучий шелк стал чем-то вроде Святого Грааля в текстильной промышленности. На протяжении десяти лет ученые, проводившие исследования, продвинулись в этой области намного дальше, чем предполагали. Благодаря новым биотехнологиям паучий шелк стало возможным создавать в широких масштабах, и этим не могли не воспользоваться модные бренды. Уже сейчас можно увидеть, что революционный материал понемногу заполоняет полки магазинов. Рассказываем, как он появился и почему его ждет большое будущее.
С чего все началось?
Хочется зайти издалека и рассказать, что sustainable – активно развивающаяся тенденция, которая набирает обороты как в модной, так и во всех остальных индустриях, работающих в ущерб природе. Исходя не только из моралистических и альтруистских побуждений, промышленные предприятия нацелены на нового покупателя с новыми требованиями, поэтому развиваются в сторону осознанного потребления. Индустрия прилагает в этой отрасли огромные усилия, не жалея времени, огромного количества денег и набитых при неудачных попытках шишек.
В свою очередь, искусственный паучий шелк стал одним из проектов текстильной промышленности, на который производители обратили внимание из-за его высокой прочности, эластичности, долговечности и мягкости. Натуральный паучий шелк не уступает ему ни в чем, разве что ради добычи 400 граммов пряжи уничтожается 700 пауков, поэтому натуральный шелк из паутины считается самой дорогой тканью в мире – за один квадратный метр придется отдать примерно 500 тысяч долларов.
Изобретение материала приписывают первой супруге императора Хуанг-Ти, который правил в 2698-2598 гг. до нашей эры, а уже в XVIII веке технологию добычи пряжи из пауков начали осваивать европейцы. Чтобы не убивать в огромных количествах животных, производители тканей пытались создавать паучьи фермы, однако членистоногие плохо приживались в неестественной среде и часто съедали друг друга.
Когда все изменилось?
Пытаясь найти выход из сложившейся ситуации, ученые из Японии и США предложили свои решения. Первые (а точнее, стартап Spiber) разработали в 2004 году синтетическую паутину Qmonos. Японским ученым посчастливилось при помощи генной инженерии создать в лаборатории искусственный фиброин (белок, выделяемый паукообразными). Вторые – исследователи Кембриджского университета – подошли с другой стороны и разработали шелковые волокна из гидрогеля, состоящего на 2% из кремнезема и целлюлозы, скрепленных кристаллическим веществом кукурбитурилом, все остальное — вода, которая испарялась после получения волокон.
Что сейчас?
И если раньше купить синтетический паучий шелк было проблематично, то сегодня немецкая промышленная компания AMSilk в сотрудничестве с производителем наручных часов класса люкс Omega создала ремешок для часов. Он сочетает в себе полиамид и синтетический материал Biosteel, а его стоимость составляет 270 долларов. Ремешок уже доступен в продаже в Европе. Выпуск, казалось бы, незначительного аксессуара маркирует первый коммерческий выпуск продукции из синтетического паучьего шелка.
По словам генерального директора AMSilk Дженса Кляйна, материал дышит, является анти-бактериальным и антиаллергенным, и это те факторы, которые для Omega стали решающими.
Тем не менее синтетический паучий шелк, вполне возможно, еще не раскрыл полностью весь свой потенциал. AMSilk, например, также работает с косметическими и медицинскими компаниями, которым нужны «дышащие», антиаллергенные свойства Biosteel для таких продуктов, как лак для ногтей и покрытие для медицинских имплантатов.
Читайте также:
Как коровий принт вытеснил леопардовый?
Паучий шёлк: новые перспективы | Very Life Victory
В истории науки немало примеров, когда революционные открытия совершались случайно. Одно из них произошло недавно в Массачусетском технологическом институте, где учёные исследовали свойства паучьего шёлка. В результате экспериментов неожиданно обнаружилась его неизвестная ранее особенность, которая может быть использована для создания новых биоматериалов, систем управления и даже синтетических мышц.
Паучий шёлк является одним из самых невероятных материалов, созданных живой природой, который не раз вдохновлял учёных на разработку его искусственного аналога.
Особенность этих тончайших нитей в потрясающем балансе прочности и растяжимости, высокой теплопроводности, своеобразной торсионной динамике и исключительных свойствах распространения вибрации. И это, оказывается, не всё…
На электронном микроскопе видны волокна нити паука, фото © MIT researchers
Изучая влияние влажности на свойства паучьего шёлка, учёные MIT проводили ряд экспериментов. Так, они подвесили на его нить груз, который должен был служить маятником, и всю «конструкцию» поместили в специальную камеру с регулируемым уровнем влажности. Когда её показатель достиг 70%, грузик
Новое свойство исследуемого материала команда специалистов назвала суперсжимаемостью − способностью сокращаться до 50% в длину одновременно с радиальным набуханием (увеличением диаметра вдвое).
Экспериментальная установка, используемая для изучения поведения шелка-паука, фото © MIT researchers
Сегодня подобные исследования представляют особый интерес для науки. Так, в последнее время появилось нескольких перспективных моделей скручивающихся искусственных мышц из синтетических полимеров, углеродных нанотрубок и графеновых волокон, которые управляются электрическим импульсом, влажностью или температурой. Теперь эксперты уверены, что возможно создание нового полимерного материала, 
Интересно, что другие материалы (шёлк тутового шелкопряда, кевларовое волокно, человеческие волосы) подобных свойств в ходе экспериментов не проявили.
Интернациональная группа учёных под руководством Бюлера проводила испытания с шёлковыми нитями пауков из рода кругопряды-нефилы, однако позже выяснилось, что обнаруженная особенность характерна для секрета всех пауков,
В поисках вещества, ответственного за обнаруженное свойство, учёные погрузились в изучение молекулярной структуры паучьего шёлка. Драглайн паутины представляет собой белковое волокно, состоящее из двух основных белков: MaSp1 и MaSp2. В составе последнего и обнаружился 
Под воздействием воды её водородные связи разрушаются несимметрично, что и вызывает кручение – строго в одном направлении и при определённой влажности.
MaSp1 (слева) и MaSp2 (справа), фото © MIT researchers
В исследовании свойств шёлковых паучьих нитей всерьёз заинтересована и медицина. Так, например, сегодня ведутся испытания методики соединения с их помощью нервов и связок, восстановления глубоких ожогов и лечения некоторых неврологических заболеваний. Учёные, изучающие характеристики этого материала, отмечают, что два десятка пауков могут дать до 800 метров нити в час. «Доить» же их можно раз в неделю, вручную, и такая процедура нисколько не вредит членистоногим.
Виктория Романова, Россия, Москва
Здесь может быть Ваша реклама!
История паучьего шелка — Procapitalist
Паутина — очень необычный материал. Она в 5 раз прочнее стали и более эластична, чем нейлон.
В 2016 году метр золотой ткани стоил 500 тысяч долларов.
Диаметр сети пауков из Южной Америки превышает пять метров. В древности эти сети использовались для ловли рыбы и изготовления одежды бразильскими и парагвайскими индейцами.
Китайцы, научившись изготавливать ткань, дали ей название «тонг-хай-туан-тсе», которая стала известна как «сатин восточного моря».
Паучий шелк широко использовался при пошиве нарядов для правителей земель Мадагаскара.
Европейцам тоже выпадала возможность увлечься необычным ремеслом. Сохранились исторические очерки о том, что в марте 1665 года луга и заборы вблизи Мерзебурга покрылись толстым слоем паутины, и из неё местные рукодельницы плели себе ленты и украшения.
Королю Франции Людовику XIV посчастливилось получить в дар невесомые ажурные чулки и перчатки, сотканные из шелковистых нитей французских пауков.
Возможно ли промышленное производство одежды из паутины?
В XVII веке французская Академия наук изучала рентабельность производства одежды с помощью членистоногих.
Реомюр, один из председателей комиссии по этому вопросу, подсчитал, что надо обработать около 1600 пауков, чтобы получить один метр паучьего шелка. Выводом из его исследования стал тот факт, что для промышленного масштаба необходимо больше пауков и мух для их пропитания, чем обитает на всей территории Франции.
Особенности поведения насекомых также создают препятствия к массовому производству.
Около 300 лет назад, в XVIII веке попытка создания паучьей фермы человеком, по имени Бон де Сент-Иле потерпела неудачу. Пауки, которые с такой любовью и интересом были собраны энтомологом просто напросто съели друг друга.
Конечно, не все членистоногие стремятся полакомиться собратьями. Среди них есть и такие, которые живут колониями на одной широкой паутинной сети, есть и другие, которые строят общее гнездо и дружно охотятся на его поверхности, однако, как будто специально, их паутина не годится для людей – она хрупкая и сыпучая.
Сегодня доказано, что существуют пауки, чьё полотно невероятно прочное.
Толщина нити составляет одну десятую миллиметра, но выдерживает она 80 граммов груза. Паутина так эластична, что вытягивается почти на четверть своей длины и не рвется.
Эти пауки называются «нефилы», их колонии обитают в дремучих лесах Мадаскара.
Золотой отблеск полотна дал этим насекомым еще одно неофициальное название – пауки-золотопряды.
Паутину нефилов можно собирать, разматывая яйцевые коконы, однако, лучше вытягивать ее прямо из брюшка паука. За месяц из одного паука можно получить около 4000 метров шелковой нити (большая бобина ниток).
Первым изобретательным экспериментатором в этой области оказался некий аббат Камбуэ. Исследуя ткацкие способности Мадагаскарского паука, он научился доставать паутину прямо на станок, поместив пауков в отдельные коробочки. Станок тянул нити и тут же создавал из них тончайший шелк.
Несколько лет назад дизайнеры Саймон Пирс (Simon Peers) и Николас Годли (Nicolas Godley) усовершенствовали метод аббата Камбуэ.
Взяв в помощь около 80 умельцев, они соткали и сшили необычной красоты платье-накидку. На сегодняшний день это самое большое изделие из этого уникального материала.
Чтобы осуществить творческий проект, команде потребовалась сотня тысяч пауков и три года (по некоторым данным пять лет) творческой деятельности. Результат получился по истине великолепным.
Из-за того, что ткачи часто пожирают друг друга, работать с ними приходилось очень аккуратно , не позволяя им устраивать бои. К примеру, в начале работы, когда дизайнеры брали 20 пауков на службу, к вечеру их оставалось всего 5. В последствии стало ясно, что ночевать вместе у самок не получится, поэтому каждое утро 70 человек выходили на поиски золотых пауков-кругопрядов, собирали около 3000 насекомых, а к вечеру их отпускали.
Собрав необходимое количество паутины, ее скручивали в нити, а затем и ткали полотно по местным традициям XIX века.
Благодаря невесомости паучьих сетей, вес полотна составил чуть больше килограмма.
Готовое платье-накидка, сшитая из этой драгоценной ткани, хранится в лондонском музее Виктории и Альберта. Несмотря на то, что один квадратный метр ткани оценивают в 500 тысяч долларов, уникальное изделие продаже не подлежит.
Содержание и разведение пауков сегодня крайне дорогое и кропотливое занятие, однако, наука не стоит на месте. О достижениях ученых со всего мира в области выращивания паутины в лабораториях читайте в следующих выпусках новостей на нашем сайте.
Искусственный паучий шёлк получили из гидрогеля
Паучий шёлк — один из самых прочных природных материалов. Его уникальные свойства вдохновили учёных на разработку ткани для бронежилетов, «жидких» самосворачивающихся проводов, струн для скрипки, капсул для хранения реагентов и многого другого.
Но проблема в том, что паучий шёлк очень сложно получить хоть в сколько-нибудь значимом количестве. В отличие от шелкопрядов, пауков невозможно выращивать в промышленных масштабах из-за крайне высокого каннибализма.
А сам шёлк – это невероятно сложная структура из различных белков, сахаров и липидов, которую трудно воспроизвести в лаборатории.
Безусловно, такие попытки были, но все они связаны с высокими температурами и токсичными растворителями. И вот, наконец, команде исследователей из Кембриджского университета удалось разработать принципиально новый подход, который описан в статье, опубликованной в журнале PNAS.
Своё шёлковое волокно учёные получили из гидрогеля, который на 98% состоит из воды. Остальные 2% — это кремнезём и целлюлоза, переплетённые между собой и сцепленные молекулярными «наручниками» – кукурбитурилами. В данной системе волокна способны к самосборке при комнатной температуре. Химические взаимодействия между компонентами позволяют вытягивать очень длинные и тонкие нити геля. Их диаметр составляет всего несколько миллионных долей метра.
После получения волокна в течение 30 секунд вода испаряется, оставляя нить, которая обладает высочайшей прочностью и эластичностью.
«Хотя наши волокна не так прочны, как самые прочные нити паучьего шёлка, они выдерживают напряжение в диапазоне от 100 до 150 мегапаскалей, — рассказывает один из соавторов исследования доктор Дарсил Шах (Darshil Shah) в пресс-релизе Кембриджа. — При этом они нетоксичны и гораздо менее энергоёмки».
Прочность нового шёлка превосходит другие синтетические волокна, такие как вискоза или искусственный шёлк, а также такие натуральные нити, как волосы человека и животных. Ещё одним серьёзным достижением технологии стало придание материалу демпфирующих свойств, то есть способности поглощать большое количество энергии, в частности, гасить колебания. Это одна из уникальных особенностей паучьего шёлка, которая обеспечивает паутине её устойчивость и сохранение функциональности в естественных условиях.
По мнению разработчиков, новый метод получения волокна, благодаря своей экологичности и энергоэффективности, способен усовершенствовать не только уже существующие методы изготовления искусственного паучьего шёлка, но и других синтетических нитей.
В погоне за максимально близкой имитацией природного материала успехов удалось добиться и другим исследователям. Например, недавно учёные отчитались о получении километра паутины с помощью нового прядильного устройства. А китайская команда решила улучшить природный шёлк, добавив в рацион шелкопряда графен и углеродные нанотрубки.
Паучий случай
Аркадий Курамшин
«Химия и жизнь» №9, 2017
Мне бы только
мой крошечный вклад внести,
За короткую жизнь сплести
Хотя бы ниточку шелка…
Флёр
В эти осенние дни, погнавшись в лесу за неосторожным грибом, мы вполне можем попасть в ловчие сети паука. Конечно, эти сети нас не удержат, мы разрушим ажурное плетение — плод труда арахнида и, стряхивая паутину с лица, рук или одежды, недовольно скажем что-нибудь вроде: «Понавешали тут сетей».
Вместе с тем, наверное, стоит удивиться эволюции, создавшей паука и его паутину — прочную и эластичную. Это настолько удачный материал, что уже сейчас его начинают применять люди, и не только в трансплантационной медицине, — из нее даже делают спортивную обувь. Компании, производящие тонны паутины (точнее, белков, входящих в ее состав), растут как грибы.
Самая прочная среди эластичных
Волокна паутины отличаются исключительными механофизическими свойствами. Благодаря прочности на разрыв и упругости они могут поглощать много энергии, не разрушаясь. Если взять одинаковые по массе образцы белка паутины и синтетического арамида — кевларовых волокон, окажется, что кевлар до разрушения сможет поглотить в три раза меньше энергии. В составе фибриллярного белка паучьего шелка основные аминокислотные остатки — глицин, аланин и серин. Прочность и эластичность микрометровых каркасных нитей паутины (то есть радиальных, в отличие от менее прочных спиральных) объясняется тем, что внутри них есть жесткие белковые кристаллы размером в несколько нанометров, соединенные между собой эластичными пептидными связками.
Предельное напряжение на разрыв каркасной нити обыкновенного крестовика Araneus diadematus — 1,1–2,7 ГПа. Для сравнения: предел прочности стали 0,4–1,5 ГПа, человеческого волоса — 0,25 ГПа. И обычный шелк уступает паучьему по этому показателю. Конечно, паутину нельзя назвать ни самым прочным, ни самым эластичным материалом, но эти свойства в ней идеально сбалансированы.
Еще 15–20 лет назад в мире существовало не более десяти исследовательских групп, изучавших свойства белков паутины и особенности их образования. Сейчас таких команд уже несколько десятков, а практическое применение паутины в реальной жизни приближают три успешно работающие биотехнологические компании. Исследователи уже раскрыли, как пауки прядут паутину, установили особенности ее состава, и эти детали позволяют находить новые области применения паутины — от регенерации нервной ткани до способов упаковки потребительских товаров и разработки новых клеевых составов. Медиков паучий шелк привлекает не только идеальным сочетанием прочности и эластичности, но и тем, что практически не вызывает иммунного ответа.
Белки паутины применяются и в биохимических лабораториях — их цепочки можно модифицировать низкомолекулярными соединениями, придавая белкам особые свойства.
Основные компании, ведущие разработки в этой области и уже производящие продукт, — образованные в 2008–2009 годах немецкая AMSilk, японская Spiber и американская (калифорнийская) Bolt Threads. Обычно от появления новой химической компании, создающей принципиально новые химические продукты, до их выхода на рынок и начала продаж проходит намного больше времени.
От косметики до хирургии
Арахнофобы могут не беспокоиться. Предприятия по производству искусственной паутины непохожи на паучьи фермы, там вообще нет пауков и прочих членистоногих. Вместо них «плетением паутины» занимаются трансгенные организмы, которые содержат гены, управляющие экспрессией белков паутины, главным образом бактерии и дрожжевые грибки. Хотя шелк паутины производят и организмы, от которых этого никак не ожидаешь; например, существует стадо генетически модифицированных коз в полсотни голов, которые дают молоко с белками паучьего шелка.
Из одного литра молока такой козы можно выделить до 4 граммов этих белков; впрочем, бактерии и грибки оказались более эффективными «эрзац-пауками».
Например, компания AMSilk применяет генно-модифицированные версии E. coli. Бактерий выращивают в больших чанах для ферментации, затем клетки разрушают и выделяют белок паучьего шелка в виде белого порошка, который затем может быть гранулирован, превращен в гидрогель или в волокна, — производители биосинтетической паутины реализуют свою продукцию во всех трех формах.
Одно из направлений деятельности AMSilk — косметические средства Silkbeads и Silkgel с белками паучьего шелка, которые обеспечивают коже дышащую защиту от бактерий и вредных веществ в окружающей среде. Биосинтетический паучий шелк часто рекламируют как «веганский шелк» — специально для тех, кто считает неприемлемым убийство окуклившихся гусениц тутового шелкопряда (видимо то, что для получения биосинтетической паутины приходится умерщвлять E.
coli, не ввергает веганов в тоску).
Для косметологов биосинтетическая паутина хороша тем, что ее белки не вызывают иммунного ответа и на их поверхности плохо растут и размножаются бактерии. Еще важнее эти свойства для биомедицины, а обусловлены они первичной структурой белков. Волокна шелка паутины состоят из спидроиновых белков, которые содержат повторяющиеся пептидные последовательности, обрамленные неповторяющимися, индивидуальными доменами, более половины аминокислотных остатков в которых приходится на глицин. Возможно, именно высокое содержание глициновых остатков во внешних доменах спидроинов (остальные аминокислотные остатки находятся внутри структуры белков паутины) и делает паучий шелк биосовместимым. Дело в том, что глицин — самая маленькая аминокислота, ее боковая группа, не участвующая в образовании белковой цепочки, состоит из одного атома водорода, и это снижает вероятность участия остатков глицина в химических реакциях и межмолекулярных взаимодействиях. Именно поэтому клетки не могут связываться со спидроинами, и поэтому биотехнологический паучий шелк наносят на поверхность медицинских устройств, чтобы спидроины обеспечивали им биологическую защиту.
Исследователи из AMSilk сообщают об экспериментах, в которых белки паучьего шелка наносили на катетеры из полиуретана, полистирола, полиэтилена, а также на металлы и керамику для имплантатов. Оказалось, что такое покрытие обеспечивает хорошую антибактериальную защиту и снижает риск осложнений при использовании полисилоксановых (силиконовых) имплантатов (Philip H. Zeplin et al. Spider Silk Coatings as a Bioshield to Reduce Periprosthetic Fibrous Capsule Formation // Advanced Funcional Materials, 2014, 24, 2658–2666; doi: 10.1002/adfm.201302813). На покрытии из биотехнологической паутины бактериальные биопленки растут хуже, чем на тефлоне и стали.
Выращивание биологических тканей
Тезка японской компании Spiber — шведская Spiber Technologies еще не может похвастаться продуктами, выведенными на рынок, она находится на стадии опытно-конструкторских разработок и получает белки только в граммовых количествах. Биотехнологи этой компании ввели E.
coli лишь часть гена, ответственного за выработку спидроинов, так что бактерии вырабатывают белки размерами около одной десятой от длины нативных белков паучьего шелка. Из этих белков собираются изготавливать сетчатые или пористые каркасы для направленного выращивания стволовых клеток, реконструкции костной ткани и заживления ран. В подобных матрицах уже успешно культивировали клетки млекопитающих. Недавно шведские исследователи модифицировали свои «строительные леса» из шелка, придав им мотив связывания, характерный для гликопротеида фибронектина, и обнаружили, что с таким модифицированным шаблоном клетки кожи связываются эффективнее (Widhe M. et al. A fibronectin mimetic motif improves integrin mediated cell biding to recombinant spider silk matrices // Biomaterials, 2016, 74, 256–266; doi: 10.1016/j.biomaterials.2015.10.013).
Обычно клетки культивируют на плоской поверхности, однако для выращивания большинства органов и тканей необходимы объемные каркасы. Трехмерные пористые системы из укороченных спидроинов с внедренными в них активаторами роста клеток имитируют матрикс ткани и «обманывают» клетки, заставляя их расти в нужном направлении.
Например, исследователи учатся выращивать таким способом небольшие участки ткани поджелудочной железы, необходимые для лечения диабета. Матрицы из паучьего шелка in vitro могут поддерживать стабильность колоний клеток поджелудочной железы человека в течение трех месяцев (Johansson U. et al. Pancreatic Islet Survival and Engraftment Is Promoted by Culture on Functionalized Spider Silk Matrices // PLoS One, 2015, 10, e0130169; doi: 10.1371/journal.pone.0130169). Трехмерная матрица не только обеспечивала жизнеспособность клеток, но и способствовала тому, что они реагировали на стимуляцию глюкозой, вырабатывая инсулин. Со временем ткань увеличивалась в объемах, и в ней формировалось больше сосудов (Shalaly N. D. et al. Silk matrices promote formation of insulin-secreting islet-like clusters // Biomaterials, 2016, 90, 50–61, doi: 10.1016/j.biomaterials.2016.03.006), что повышает шансы на успешную трансплантацию.
Работающая в сотрудничестве со Spiber лаборатория Анны Ризинг из Королевского Каролинского университета Швеции использует модель ex vivo для изучения особенностей регенерации ткани спинного мозга в присутствии паучьего шелка.
Исследования показали, что ткань периферического нерва овцы успешно росла на направляющих из паучьего шелка (Widhe M. et al. Invited review current progress and limitations of spider silk for biomedical applications // Biopolymers, 2012, 97, 6, 468–478, doi: 10.1002/bip.21715; Rising A. Controlled assembly: a prerequisite for the use of recombinant spider silk in regenerative medicine? // Acta Biomaterialia, 2014, 10, 4, 1627–1631, doi: 10.1016/j.actbio.2013.09.030).
Подражая природе
Паук прядет паутину с помощью специальных паутинных желез — нити образуются из высококонцентрированного раствора белка, из этого раствора самка паука может свить до семи типов волокон. Недавно в лаборатории Ризинг получили рекомбинантные белки паучьего шелка, которые имеют не только аналогичные натуральным белкам повторяющиеся последовательности, но также N- и С-концы, характерные для паучьего спидроина (Andersson M. et al. Silk Spinning in Silkworms and Spiders // International Journal of Molecular Sciences, 2016, 17, 8, pii: E1290.
doi: 10.3390/ijms17081290). В настоящее время N- и С-концы большей части биотехнологических спидроинов не такие, как у природных, а между тем ряд ученых, например Томас Шайбель из Байройтского университета, считают, что именно начало и конец цепи критически важны для образования прочных волокон из водного раствора (Schacht K. et al. Biofabrication of cell-loaded 3D spider silk constructs // Angewandte Chemie Int. Ed., 2015, 54, 2816–2820; doi: 10.1002/anie.201409846).
В настоящее время большинство лабораторных способов, позволяющих превратить белки паучьего шелка в волокна, основаны на применении гексафторизопропанола — токсичного растворителя, который не только опасен, но еще может медленно разрушать белки и имеет высокую себестоимость. Все это исключает возможность его промышленного применения. Недавно был опубликован метод, позволяющий растворять спидроины в чистой воде и получать из них волокно (Jones J. A. et al. More Than Just Fibers: An Aqueous Method for the Production of Innovative Recombinant Spider Silk Protein Materials // Biomacromolecules, 2015, 16, 1418–1425; doi: 10.
1021/acs.biomac.5b00226). Раствор для прядения волокон можно сделать с помощью микроволновой печи, предполагается, что растворение обеспечивается воздействием температуры и давления. Компании, разрабатывающие методы прядения волокон из паучьего шелка, придумывают свои подходы, которые не публикуют в открытой печати, но и они предпочитают тянуть искусственную паутину из водного раствора, минимизируя применение дорогих и опасных растворителей.
Лабораторный протокол обработки биотехнологического паучьего шелка предполагает процедуру осаждения-высаливания белков, причем они денатурируют. Затем осажденный и денатурированный белок формируют в волокнистую структуру из суспензии в водно-спиртовом растворе. Отдельные волокна можно свить в нити, содержащие от восьми до двадцати четырех жил, — такие нити уже подходят для практического применения. Но компаниям необязательно прясть паутину — для нанесения покрытий проще использовать биотехнологические спидроины в виде порошка или гидрогеля. Подсчитано, что килограмма паутинных белков хватит на антибактериальные и антикоагулирующие покрытия для нескольких миллионов (от одного до десяти — зависит от размера) катетеров.
Есть надежда, что к концу 2017 года такое медицинское оборудование закончат тестировать на животных, в ближайшие 5 лет некоторые его образцы пройдут сертификацию Управления по контролю продуктов питания и лекарственных средств США (FDA) и начнут применяться в клинической практике.
Костюм Спайдермена
Искусственные спидроины применяют не только в биомедицине. Уже упоминалось, что прочность паучьего шелка на разрыв выше, чем у кевлара, но, увы, способность эластично деформироваться в ответ на механическую нагрузку не позволяет рассматривать чистые спидроины в качестве материала для «натуральных» бронежилетов. Пулю бронежилет из паучьего шелка поймает и остановит, но к тому моменту она, скорее всего, выйдет из туловища или застрянет во внутренних органах вместе с «бронежилетом». Преимущество арамидных волокон, из которых делают кевлар, состоит как раз в том, что они не деформируются. Тем не менее композиты спидроинов с арамидами или углеволокном вполне подходят для изготовления гибких и прочных конструкционных элементов автомобилей или беспилотных летательных аппаратов.
Существуют композиции рекомбинированного паучьего шелка с керамическими наночастицами, которые могут блокировать газы и пары воды, получаются идеальные материалы для упаковки пищевых продуктов (Doblhofer E. Structural Insights into Water-Based Spider Silk Protein — Nanoclay Composites with Excellent Gas and Water Vapor Barrier Properties // ACS Applied Materials and Interfaces, 2016, 8, 25535–25543; doi: 10.1021/acsami.6b08287). В их производстве не используются токсичные вещества, белки растворяют в воде, а сам композит прозрачен и биоразлагаем.
Еще одно важное преимущество паучьего шелка — он не плавится. Поэтому текстиль из паучьих нитей, натуральных или полученных биотехнологически, интересует создателей армейской экипировки. Под воздействием высоких температур, например вспышек светошумовых и боевых гранат, нейлоновые ремешки каски и других элементов одежды современных солдат могут расплавиться, а то и приплавиться к коже, причинив серьезные ожоги. Волокна и текстильные изделия из искусственной паутины просто обугливаются, что снижает риск дополнительного температурного воздействия на кожу — именно это и интересует военных, готовых платить больше для обеспечения безопасности личного состава.
Пока что стоимость биосинтетической паутины высока, и среди одежды доступной ценовой категории вряд ли в ближайшее время можно будет найти вещь с ярлычком «spider silk» (товары с AliExpress не в счет, о них производители могут написать что угодно). Однако две компании все же рискнули вывести на рынок одежду из биотехнологических спидроинов.
Так, в сентябре 2015 года компания по производству спортивной одежды для активного отдыха The North Face начала рекламировать и испытывать куртку-штормовку из рекомбинированного паучьего шелка. Первые образцы обещают выпустить уже в этом, 2017 году. Они будут изготовлены из паучьего шелка от японской компании Spiber. Представители компании уверяют, что им удалось снизить затраты на производство спидроиновых волокон до ста долларов за килограмм. Однако чтобы ткани из синтетической паутины перестали быть уделом избранных, себестоимость производства пряжи должна стать хотя бы такой же, как у натурального шелка тутового шелкопряда (30–70 долларов за килограмм, в зависимости от качества).
Компания Spiber надеется, что эта цель вполне достижима, ее конкуренты тоже так считают, разрабатывая все более дешевые технологии.
Так, уже упоминавшаяся немецкая компания AMSilk использует белки биосинтетического паучьего шелка для изготовления волокон под торговым названием Biosteel («Биосталь»). Руководство AMSilk уверено, что из этого волокна будут делать обувь и одежду, а также текстиль для отделки кресел автомобилей и самолетов. В 2014 году фирма «Адидас» представила линию спортивной тренировочной обуви, сделанной практически целиком (кроме подошвы) из волокон Biosteel.
Таким образом, липкая лесная паутинка прошла долгий путь, и теперь из нее плетут прочные сети новые химические компании, которые сумели наладить производство всем известного природного материала и нашли ему множество применений. Может быть, через десять лет производство биосинтетической паутины разовьется настолько, что мы будем спрашивать консультантов в магазине одежды, из какого именно натурального шелка эта кофточка — шелкопрядного или паучьего.
Естественно, спидроины шелка будут и дальше оплетать своими сетями хирургию, регенеративную медицину, а также новые области, о которых мы пока и не подозреваем. Глядишь, появится приспособление, способное выстреливать нитью биосинтетической паутины, чтобы лазить по стенам или иммобилизовать недоброжелателей, — и, главное, делать это можно будет, не дожидаясь укуса радиоактивного паука-мутанта.
Ученые из США получили синтетический паучий шелк с помощью кишечной палочки
В лаборатории бактерия E.coli (произвела несколько сегментов каркасной нити – наиболее практичной нити, на которой пауки спускаются вниз. Искусственный паучий шелк может конкурировать с природным в прочности и эластичности.
В лаборатории бактерия E.coli (кишечная палочка)
произвела несколько сегментов каркасной нити – наиболее
практичной нити, которую пауки используют для спуска вниз,
пишет портал Science News. Полученный искусственный паучий шелк может
конкурировать с природным в прочности и эластичности.
В будущем
материал можно использовать для создания хирургических нитей и
ударопрочных тканей.
Паучий шелк – удивительный материал. Считается, он крепче, чем сталь, жёстче кевлара и легче углеводородного волокна. Из него уже шьют одежду, и некоторые производители тканей – например, Bolt Threads в США – считают, что будущее текстильной промышленности стоит именно за этим материалом, а вернее – за его синтетическим аналогом. Ведь разводить паучьи фермы слишком непрактично.
Инженеры десятилетиями пытались создать синтетическую имитацию
паучьего шелка из генетически модифицированных бактерий, дрожжей
и даже козьего молока, но всегда терпели неудачу. Отчасти
проблема заключается в том, что генетическая информация каркасной
нити представляет собой длинную цепочку повторяющихся ДНК.
Соединение генетического материала паучьего шелка с
протестированными организмами приводило к тому, что клеточный
механизм этих организмов случайно изменял или разрушал серии ДНК
паутины.
На это раз исследователи точно разделили повторяющуюся ДНК на кусочки и «встроили» каждую повторяющуюся часть в бактерию E.coli. Эти меньшие фрагменты были менее подвержены дальнейшему изменению в бактериях, и каждый микроб следовал генетическим инструкциям, чтобы «изготовить» короткую прядь шелка. Исследователи добавили в конец каждой нити химическую метку, которая склеивала отдельные волокна.
Показатель прочности полученной нити при растяжении составил 1,03 гигапаскаля – примерно столько же, сколько и у натурального паучьего шелка. Прядь из синтетического шелка может растянуться на 18%, прежде чем порваться, – так же, как и натуральная каркасная паучья нить.
Подробное описание разработки дано в статье, опубликованной в журнале Biomacromolecules.
[Фото: avilarchik6956 / pixabay.com]
Spider Silk
Spider Silk Недвижимость, Использование и производствоНедвижимость
Паук шелк невероятно прочен и прочнее стали по весу. Количественно паучий шелк в пять раз прочнее той же стали. диаметр. Было высказано предположение, что Боинг 747 может быть остановлен в полет одной прядью шириной в карандаш и паучий шелк почти такой же прочный, как Кевлар, самый прочный искусственный полимер.Он тоньше человеческого волоса (большинство ниток имеют диаметр несколько микрон) и способны сохранять свою прочность ниже -40С. Самый прочный шелк — это шелк драглайна от Golden Паук-кругопряд (Nephilia clavipes), т.н. потому что он использует шелк золотистого оттенка для создания паутины сфер.
Паук шелк также очень эластичен и захватывает шелк (липкий шелк для ловли добычи) остается целым после растяжения в 2-4 раза от первоначальной длины. Шелк паука более жесткий, эластичный и водостойкий, чем шелк тутового шелкопряда, поэтому у него может быть гораздо более широкий спектр приложений.Легко понять, почему паучий шелк представляет такой интерес для химиков-материаловедов с тех пор, как могут быть разработаны сверхпрочные волокна на основе шелка.
Использует
Пауки использовать шелк для различных функций:
Валкование шелк для обертывания и иммобилизации добычи.
перемычки для ловли добычи липким шелком — он эластичный, чтобы не допустить отскакивает от сети.
Драглайны которые используются для соединения паука с паутиной в качестве страховочных тросов в случае паук должен упасть и как нелипкие спицы паутины. Драглайн шелк — самый прочный вид шелка, потому что он должен выдерживать вес паук.
Парашютный спорт или полет на воздушном шаре , который используется для разгонки молодняка и поиска новые районы как источник пищи.Шелк выпущен и уловлен ветром поднять паука в воздух — летающие пауки!
Убежища такие как норы или гнезда
Яичные мешочки
Сопряжение : пауки-самцы плетут сети спермы, на которые они откладывают сперму, а затем переносят его на передние лапы, готовые для размещения на гениталиях самок. органы.Некоторые виды создают паутину и покрывают ее половыми феромонами, чтобы привлечь помощника.
Производство
Там семь типов шелка, производимые семью шелковыми железами. Одиночный паук не обладает всеми семью железами, но имеет по крайней мере три, если это мужчина (драглайн, навесное оборудование и рулонный шелк) или четыре, если это самка. В дополнительный — для шелка яичного мешочка. Семь типов сальников:
Ахниформ железа : обвязочный шелк.
Цилиндриформ железа : шелковый мешочек яйца.
Ампулят железы (большие и второстепенные) : нелипкий шелк драглайна. Шелк из малая ампульная железа только наполовину слабее, чем большая железа.
Пириформ сальник : крепежные резьбы — изготавливаются крепежные диски, фиксирующие нить на поверхность или другую нить.
Жгутиковые железа : сердцевина из волокон липкого шелка.
Совокупный железа : внешняя часть липкого шелка — капельки клеящего вещества нанесены вдоль ниток.
Предоставлено Тины Карвльо, Microangela
железы расположены в нижней части живота (см. диаграмму ниже) и содержат водянистую жидкость, известную как «дурман».Эта жидкость проходит через фильера через множество микроскопических трубок, в которых начинается затвердевание. Жидкость из разных желез может привести к одному и тому же фильера, чтобы шелк с особыми свойствами, необходимыми для конкретной функции могут быть произведены. Обычно есть три пары фильер, но это может варьируются от 1 до 4 пар в зависимости от вида. Вещество выходит через патрубки, которые являются подвижными, похожими на пальцы выступами, и в результате шелк выглядит твердым.Есть много патрубков, поэтому много волокон связано вместе как кабель. Диаметр отдельного волокна регулируется мышечное действие клапана. Чем быстрее и плотнее протягивается прядь, тем прочнее шелк.
Изображение из артикула 11
Некоторые интересные факты из сети:
Нет все пауки плетут сети.
Пауки не приклеиваются к собственной паутине, потому что только центральная спиральная часть липкая паутина, а не спицы. Паук знает, куда ступить!
Паутины теряют липкость примерно через день из-за таких факторов, как пыль накопление и воздействие воздуха. В целях экономии энергии паук ест свою собственную паутину, прежде чем делать новую, поэтому белок, используемый для шелка потоки переработаны.
Новый искусственный шелк паука: прочнее стали и на 98% воды | Инновация
Шелк скромного паука обладает весьма впечатляющими свойствами. Это один из самых прочных материалов, встречающихся в природе, он прочнее стали и прочнее кевлара. Его можно растянуть в несколько раз, прежде чем он сломается. По этим причинам копирование паучьего шелка в лаборатории на протяжении десятилетий было одержимостью ученых-материаловедов.
Теперь исследователи из Кембриджского университета создали новый материал, который имитирует прочность, эластичность и способность поглощать энергию паучьего шелка. Этот материал дает возможность улучшить продукцию от велосипедных шлемов до парашютов и пуленепробиваемых курток и крыльев самолетов. Возможно, это самое впечатляющее свойство? На 98 процентов это вода.
«Пауки — интересные модели, потому что они могут производить эти превосходные шелковые волокна при комнатной температуре, используя воду в качестве растворителя», — говорит Даршил Шах, инженер Кембриджского центра инноваций в области природных материалов.«Эти технологические пауки развивались в течение сотен миллионов лет, но мы пока не можем копировать».
Изготовленные в лаборатории волокна созданы из материала, называемого гидрогелем, который состоит на 98 процентов из воды и на 2 процента из диоксида кремния и целлюлозы, причем последние два удерживаются вместе кукурбитурилами, молекулами, которые служат «наручниками». Волокна диоксида кремния и целлюлозы можно извлечь из гидрогеля. Примерно через 30 секунд вода испаряется, оставляя только прочную эластичную нить.
Волокна чрезвычайно прочные — хотя и не такие прочные, как самые прочные паучьи шелка — и, что немаловажно, их можно изготавливать при комнатной температуре без использования химических растворителей. Это означает, что, если их можно производить в больших масштабах, они имеют преимущество перед другими синтетическими волокнами, такими как нейлон, для прядения которых требуются чрезвычайно высокие температуры, что делает текстильное производство одной из самых грязных отраслей в мире. Искусственный шелк паука также полностью биоразлагаем.А поскольку он сделан из обычных, легко доступных материалов — в основном воды, кремнезема и целлюлозы, — он потенциально может быть доступным.
Поскольку материал может поглощать так много энергии, он потенциально может использоваться в качестве защитной ткани.
«Пауки нуждаются в этой способности поглощения, потому что, когда птица или муха ударяют их паутину, они должны быть в состоянии поглотить ее, иначе она порвется», — говорит Шах. «Так что такие вещи, как устойчивая к осколкам или другая защитная военная одежда, это было бы захватывающим применением.”
Другие потенциальные области применения включают ткань для парусов, ткань для парашютов, материал для воздушных шаров, а также шлемы для велосипедов и скейтбордов. Этот материал биосовместим, а это значит, что его можно использовать внутри человеческого тела для таких вещей, как швы.
Волокна также можно модифицировать разными интересными способами, — говорит Шах. Замена целлюлозы различными полимерами может превратить шелк в совершенно другой материал. Базовый метод может быть воспроизведен для производства низкотемпературных и не требующих использования химических растворителей версий многих тканей.
«Это общий метод изготовления всех волокон, чтобы сделать любую форму [искусственного] волокна зеленым», — говорит Шах.
Шах и его команда — далеко не единственные ученые, работающие над созданием искусственного паучьего шелка. В отличие от шелковичных червей, которых можно выращивать для получения шелка, пауки — каннибалы, которые не терпят тесного земледелия, необходимого для ведения сельского хозяйства, поэтому обращение в лабораторию — единственный способ получить значительное количество материала. Каждые несколько лет появляются заголовки о новых успехах в этом процессе.Немецкая команда модифицировала бактерии E-coli для производства молекул паучьего шелка. Ученые из Университета штата Юта разводили генетически модифицированных «паутинных коз» для производства протеинов шелка в их молоке. Армия США тестирует «драконий шелк», произведенный из модифицированных шелкопрядов, для использования в пуленепробиваемых жилетах. Ранее в этом году исследователи из Каролинского института в Швеции опубликовали статью о новом методе использования бактерий для производства белков шелка пауков потенциально устойчивым и масштабируемым способом. А этой весной калифорнийский стартап Bolt Threads представил галстуки из биоинженерного паучьего шелка на фестивале SXSW.Их продукт производится в процессе дрожжевого брожения, в ходе которого производятся протеины шелка, которые затем подвергаются экструзии и превращаются в волокна. Это достаточно многообещающе, чтобы наладить партнерство с производителем наружной одежды Patagonia.
Но, как указывает история Wired за 2015 год, «до сих пор каждая группа, которая пыталась произвести достаточно материала, чтобы вывести его на массовый рынок, от исследователей до гигантских корпораций, потерпела неудачу».
Это проблема, с которой Шах и его команда сталкиваются прямо сейчас.
«В настоящее время мы производим около нескольких десятков миллиграммов этих материалов, а затем вытягиваем из них волокна», — говорит он. «Но мы хотим попробовать сделать это в гораздо большем масштабе».
Для этого команда работает над роботизированным устройством, которое будет вытягивать и прядить волокна быстрее и в большем масштабе, чем раньше. По словам Шах, они добились определенного успеха и продолжают изучать этот процесс.
«Мы все еще находимся на ранней стадии исследований», — говорит он.
Выводы группы недавно были опубликованы в журнале Proceedings Национальной академии наук .
В будущем мы все будем носить паучий шелк
В 1709 году Франсуа Ксавье Бон де Сен-Илер, президент Счетной палаты, помощников и финансов в Монпелье, Франция, подарил Королю-Солнцу Людовику XIV пара серебристых чулок из паучьего шелка, сотканных из сотен тщательно собранных яичных мешочков. «Единственная трудность сейчас заключается в том, чтобы раздобыть достаточное количество мешков для пауков, чтобы справиться с этим», — написал Бон в письме в Британское Королевское общество в следующем году.Более чем через три столетия эта не столь незначительная трудность была преодолена, и у представителей королевской семьи впервые появится возможность приобрести свою собственную одежду из паучьего шелка, в частности тканый галстук, окрашенный в голубой цвет. и выпущен ограниченным тиражом в 50 экземпляров компанией Bolt Threads, биотехнологической компанией из Залива.
Пауки, конечно же, очень и очень давно производят шелк для собственных нужд. По словам Пола Хилларда, автора книги «Частная жизнь пауков», самое раннее свидетельство этого происходит из девонских сланцев, которым триста восемьдесят миллионов лет, в штате Нью-Йорк, где палеонтологи обнаружили окаменелые останки паука. задний конец — что-то вроде насадки для душа из паукообразных с двадцатью патрубками, через которые древний паук протягивал шелковые нити, прежде чем соединить их в одну нить.С тех пор у пауков появилось семь различных специализированных шелковых желез. Самцы пауков-крабов плетут шёлк, чтобы связывать своих подруг перед спариванием; самки пауков плетут шелковые трубчатые мешочки для яиц; а пауки-люки производят особые липкие шелковые шарики, из которых строятся свои тяжелые распашные двери из слоистой земли и шелка. Однако наиболее универсальным видом является ампульный, или драглайн, шелк, который пауки используют для спуска на веревке и для создания паутины. В сочетании эти различные шелка могут быть использованы для создания, казалось бы, бесконечного разнообразия форм: водолазные колокольчики, паучьи зонтики и даже паучий камуфляж.(«Маленький, беспорядочный на вид участок белого шелка» может удивительно походить на падающую птицу, — отмечает Хиллард.)
Использование человеком паучьего шелка отстает от собственной изобретательности паукообразных. Считается, что древние греки использовали яичные мешочки для перевязки ран, а новогвинейские рыбаки, как известно, плели сети пауков-шаровидных пауков. В одежде же господствовали более слабые нити тутового шелкопряда. Бон объяснил это предубеждением человечества против «столь отвратительного насекомого», но более практическая причина в том, что пауки оказались устойчивыми к приручению.«Разведение молодых пауков в комнатах», — заметил Бон, — всегда заканчивалось одинаково: они дрались и ели друг друга. Что жаль, потому что паучий шелк — это что-то вроде чудесного материала. Известно, что он прочнее стали и более устойчив к разрыву, чем кевлар. Хотя человек может сравнительно легко пройти через паутину, это потому, что каждая нить составляет всего три тысячных миллиметра в диаметре. По оценкам, с точностью до миллиметра паутина может поймать вертолет так же эффективно, как и мух.Паучий шелк также чрезвычайно эластичен и легок; некоторые шелка могут растянуться в пять раз своей длины, прежде чем разорваться, а прядь, достаточно длинная, чтобы опоясать Землю, весила бы чуть более фунта. Паукообразные — отличные химики, часто наделяющие свой шелк водоотталкивающими и противогрибковыми свойствами.
Соблазненные этим обещанием, горстка предприимчивых одержимых шелком людей пыталась последовать по стопам Бона на протяжении многих лет — и, несомненно, столкнулась с той же проблемой масштаба.Хирург времен Гражданской войны Берт Грин Уайлдер, которого больше всего помнят за то, что использовал термин «нейрон» в печати раньше всех и за то, что собирал маринованные мозги, сообщил, что когда он служил на «Фолли», он извлек 150 ярдов золотой нити из большого паука-шара. Остров, Южная Каролина, с пятьдесят четвертым Массачусетским добровольческим пехотным полком, афро-американским подразделением. Вдохновленный, Уайлдер изобрел шелковистую машину, которая ничем не напоминала крошечные средневековые приклады: деревянная доска на шарнирах удерживала паука с головой и ногами с одной стороны и брюшком с другой, а катушка с ручным приводом тянула шелк.Это было хитроумное изобретение, но позже Уайлдер пришел к выводу, что для создания единственного платья из паучьего шелка потребуется материал от пяти тысяч животных. Спустя более чем столетие наука не продвинулась далеко вперед. В 1982 году исследователи из Университета штата Северная Каролина все еще публиковали статьи, описывающие «устройство и технику для принудительного шелушения пауков» — по сути, обновленную версию устройства Уайлдера, способную одновременно вместить десятки пауков.
Затем произошла генетическая революция девяностых, а вместе с ней появилась возможность наделить ДНК более послушных видов, чтобы производить паучий шелк.Не было бы необходимости в молочной ферме и ранчо для ткачей кругов; генетически модифицированные бактерии E. coli , дрожжи, табак и даже козы могут справиться с этой задачей. (Остатки стада коз Biosteel, финансируемых Министерством обороны США, в настоящее время проживают в Университете штата Юта, после того как биотехнологическая компания, которая разводила их для производства паучьего шелка в их молоке, объявила о банкротстве.)
Проблема заключалась в том, что даже с живые пауки удалены из уравнения, процесс остался, по словам Дэна Видмайера, C.E.O. и соучредитель, «настоящий зверь». Компания решила производить шелк с использованием пивных дрожжей, ферментированных в резервуарах из нержавеющей стали с водой и сахаром — довольно простая установка. Но последовательности генов, которые кодируют производство шелка, почти полностью состоят только из двух из четырех молекул, составляющих ДНК, а это означает, что они очень часто повторяются и их легко испортить. По словам Видмайера, возиться с этими последовательностями, чтобы заставить дрожжи экспрессировать различные протеины шелка, было «болезненно»; по его оценкам, с момента своего основания в 2009 году Болт прошел около четырех тысяч формулировок.«А затем, когда вы завершили ферментацию и насекомые произвели весь этот прекрасный белок, ваша следующая проблема — как получить его в высококачественном чистом потоке, чтобы использовать его в качестве сырья для прядения», — сказал он. сказал. Другими словами, нужно было заставить дрожжи выделять шелк, чтобы Видмайеру и его коллегам не приходилось соскабливать каждую отдельную клетку.
После отделения протеина шелка от сладкой дрожжевой воды в бродильных чанах Bolt он очищается до порошка.«Похоже, что вы купили бы в GNC, чтобы потрясти мышцы», — сказал Видмайер. Затем порошок смешивают с растворителем до тех пор, пока он не приобретет вязкость резинового клея: полученная масса называется прядильной пастой, и ее можно экструдировать через фильеру для создания волокна. (В природе паук полагается на механизм толкания и вытягивания, чтобы превратить свою прядильную смесь в нить: внезапное падение кровяного давления выталкивает вязкие протеины шелка из сопел, похожих на насадки для душа в брюшной полости, и паук вытягивает их. шарики в пряди, используя свои ноги и вес тела.) «Многие утомительные, повседневные вещи идут не так, как надо, — сказал Видмайер. Любое количество минутных изменений чистоты, вязкости, pH и температуры белка может превратить прядильный раствор в липкую массу, которая образует шарики, а не нити, или заклинивает матрицу. Отсюда и гордость Видмайера за то, что он произвел пятьдесят галстуков, каждый из которых содержит эквивалент девяноста километров паучьего шелка драглайна.
Bolt Threads и обанкротившаяся компания, стоящая за Biosteel Goats в Юте, не единственные, кто занимается созданием генетически модифицированного паучьего шелка.В прошлом году японская фирма Spiber использовала E. coli , чтобы сделать одноразовую парку для The North Face, а Adidas в партнерстве с AMSilk, немецкой компанией, производящей биоматериалы, выпустил кроссовки из паучьего шелка. Но Bolt выиграл гонку за создание коммерческого продукта, даже если количество настолько мало, что компания выбирает своих покупателей посредством лотереи. На данный момент стяжки не прочнее стальных, пуленепробиваемых, водонепроницаемых или сверхэластичных — Видмайер рекомендует обращаться с ними как с хрупкими, — но, вернувшись в лабораторию, он сказал, что компания работает с Patagonia над еще несколькими амбициозными продуктами.Он также пытается улучшить свое воздействие на окружающую среду. Текстильная промышленность производит самые загрязненные сточные воды из всех секторов, в основном из-за синтетических красителей, поэтому Bolt работает над штаммом дрожжей, которые могут выделять не только шелк, но и краситель. А в долгосрочной перспективе, сказал Видмайер, его цель — отучить дрожжи от кукурузного сахара, культуры, которая может кормить людей, и перейти на сахар на основе целлюлозы, сделанный из макулатуры, опилок и осадка сточных вод. Биоволокна уже предлагают значительное экологическое преимущество по сравнению с последним крупным шагом вперед в отрасли — тканями на нефтехимической основе, такими как нейлон и спандекс.
Компания выходит за рамки не только галстуков, но и шелка. «В некотором смысле это пережиток аспирантуры, называемый паучьим шелком», — сказал Видмайер. «В конце концов, мы создаем волокна на белковой основе, которые имеют поперечное сечение, текстуру и свойства, которые позволяют ощущать почти все, что вы хотите — шерсть, нейлон или что-то совершенно новое». В будущем биоселк может стать продуктом столь же разнообразного, как военная броня и фармацевтическая упаковка, но мечта Видмайера проста: лучший, более прочный и удобный свитер с длинными рукавами.«Я знаю, что это не космический лифт, — сказал он. «Но это то, что меня действительно волнует».
Стартап заявляет, что первым начал производить синтетический паучий шелк
«Это формирует своего рода платформу, на которой мы можем проектировать с учетом материальных ценностей, а также расширять наше производство по хорошей цене, чтобы мы могли коммерциализировать его».
Лучше, Дешевле, Быстрее
В лаборатории Bolt Threads, занимающей площадь 33 000 квадратных футов, на четвертом этаже приземистого здания прямо у шоссе I-80 в Эмеривилле, не так уж много людей.(Видмайер говорит, что группа по ферментации уезжает в тренировочную поездку в Мичиган.) Когда я недавно приехал в гости, копия книги Э. Уайт Сеть Шарлотты * * лежит на столе у кушеток в вестибюле. Художественная панель от потолка до пола с основной аминокислотной последовательностью Bolt Threads для ее искусственного шелка выставлена среди группы конференц-залов, названных в честь различных тканей: кружева, бархата, шелка, клетчатой ткани, поплина и твида.
Видмайер проводит меня по лабораториям, которые разделены в соответствии с различными этапами производства паучьего шелка.Исследователи могут проводить эксперименты в области клеточной биологии; несколько мест, где расположены большие и маленькие бродильные чаны, медленно производящие шелковый протеин; и комната, где волокна прядут и сушат. В комнате анализа волокон нити шелка растягиваются и приклеиваются на черные листы бумаги, а затем каталогизируются в соответствии с наблюдаемыми исследователями свойствами. Я спрашиваю Видмайера, есть ли у них настоящие образцы тканей, которые я могу потрогать, и он отвечает, что есть, но они их не нашли, так как они исчезли в коробках, когда компания переехала в их более просторные помещения в январе.
Изучая химическую биологию в UCSF перед тем, как основать Bolt в 2010 году, Видмайер потратил большую часть своего времени на изучение вопроса о том, как дешево производить много паучьего шелка. Главный научный сотрудник Bolt, Дэвид Бреслауэр, тем временем получал докторскую степень по биоинженерии в Калифорнийском университете в Беркли, исследуя микрофлюидные устройства — работу, которая хорошо трансформировалась в запатентованные прядильные системы Bolt Threads. Вице-президент по операциям Итан Мирски, тем временем, работал в той же лаборатории, что и Видмайер, в UCSF и имел опыт работы в сфере стартапов в прошлой жизни.Консультанты студентов связали ученых, и они начали сотрудничать в исследованиях в течение нескольких лет, прежде чем идея создания компании когда-либо появилась.
Но в конце концов группа поняла, что их исследования обладают большим коммерческим потенциалом. «У нас были довольно хорошо проработанные коммерческие части на теоретическом уровне, и нам просто нужно было построить платформу», — говорит Видмайер.
Видмайер говорит, что это была удачная удача, что Bolt Threads сошлись вместе, когда барьеры в биотехнологии были разрушены.«По сравнению с тем, что было несколько десятилетий назад, инструменты стали лучше, дешевле и быстрее», — говорит он. «Мы были на переднем крае многих этих технологий, и мы ехали в правильном направлении».
Чехлы для iPad из паучьего шелка
По словам Сэма Хадсона, профессора химии полимеров в Университете штата Северная Каролина, который знаком с технологией Bolt Threads в качестве одного из сторонних консультантов компании, настоящей инновацией является разработка системы ферментации, которая может производят большое количество протеина шелка, который можно выделить.«Волокна на 100% состоят из протеина шелка», — говорит он. «Я не знаю никого, кто смог бы добиться такого большого прогресса в решении этой проблемы».
Bolt Threads заявляет, что планирует запустить свой первый коммерческий текстиль к следующему году. Но, по словам его основателя, это не просто нишевые продукты для нишевых отраслей. Видмайер предполагает, что ткани Bolt Threads могут использоваться в таких вещах, как чехлы для iPad и автокресла — вещи, которые потребители фактически видят и касаются каждый день.
Это потому, что, по крайней мере, по словам Видмайера, его команда не только расшифровала, как производить паучий шелк, но и расшифровала процесс его превращения в индивидуализированный текстиль для повседневных вещей.Ваш чехол для iPad однажды может стать гарантированно водонепроницаемым; возможно, ваша следующая куртка будет пуленепробиваемой. И процесс производства достаточно дешев, чтобы эти продукты были доступны по цене. В ближайшие несколько месяцев Bolt Threads заявляет, что планирует изучить возможность создания собственной линейки потребительских товаров, а также сотрудничать с другими производителями текстиля.
«После того, как мы выяснили, что можем сделать [паучий шелк], следующее, что мы хотели знать, было: сможете ли вы сделать из него достаточно, чтобы сделать что-нибудь интересное?» Видмайер говорит: «Теперь мы хотим создавать продукты, которые принесут людям значительную пользу.»
Запутанная паутина превращения паучьего шелка в суперматериал
Человек-Паук — один из самых популярных супергероев всех времен. Это немного удивительно, учитывая, что одной из наиболее распространенных фобий является арахнофобия — изнурительный страх перед пауками.
Возможно, более фантастическим является то, что молодой Питер Паркер, сообразительный школьный ботаник, по-видимому, в одночасье разработал знаменитые веб-шутеры и синтетический паучий шелк, который он использует, чтобы кататься по городу, как Тарзан через джунгли.
Это потому, что ученые десятилетиями пытались воспроизвести паучий шелк, материал, который в пять раз прочнее стали, среди его многочисленных сверхспособностей. В последние годы исследователи распутали структуру белковых волокон до молекулярного уровня, что привело к новым открытиям и новым возможностям для возможного коммерческого использования.
Применение такого материала кажется почти бесконечным. Есть и более футуристические видения, например, задействование роботизированных «мускулов» для человеческих движений или ловушка реальных злодеев паутиной, похожей на паука.Ближайшее применение может включать в себя биомедицинскую промышленность, такую как бинты и клеи, а также в качестве замены текстиля для всего, от веревки до ремней безопасности и парашютов.
Прядение из синтетического паучьего шелка
Рэнди Льюис изучал свойства паучьего шелка и разрабатывал методы его синтетического производства более трех десятилетий. В 1990-х годах его исследовательская группа стояла за клонированием первого гена паучьего шелка, а также первой, кто идентифицировал и секвенировал белки, из которых состоят шесть разных шелков, которые производят паутины.Каждый из них имеет разные механические свойства.
«Итак, наш мыслительный процесс заключался в том, чтобы вы могли взять эту информацию и начать понимать, что делает их сильными и что делает их эластичными, и почему некоторые из них очень эластичны, а некоторые совсем не эластичны, а некоторые сильнее, а некоторые нет. слабее », — объяснил Льюис, профессор биологии в Университете штата Юта и директор лаборатории синтетического паучьего шелка, в интервью Singularity Hub .
Пауки по своей природе территориальны и каннибалисты, поэтому любое намерение выращивать шелк естественным образом, скорее всего, закончится оргией насилия паукообразных.Вместо этого Льюис и компания генетически модифицировали различные организмы для получения синтетического паучьего шелка, включая вставку пары генов создания паутины в генетический код коз. Козье молоко содержит протеины паучьего шелка.
Лаборатория также производит синтетический паучий шелк путем ферментации, не совсем похожей на пивоварение, но с использованием генетически модифицированных бактерий для производства желаемых белков паучьего шелка. Подобный метод использовался в течение многих лет для создания ключевого фермента в производстве сыра.В последнее время компании используют трансгенные бактерии для производства белков мяса и молока, полностью минуя при этом животных.
Та же самая технология ферментации используется шикарным стартапом Bolt Threads за пределами Сан-Франциско, который собрал более 200 миллионов долларов на модные волокна из синтетического паучьего шелка, которые он называет Microsilk. (Компания также разрабатывает второй кожевенный материал, Mylo, используя подземную корневую структуру грибов, известную как мицелий.)
ЛабораторияЛьюиса также использует трансгенных тутовых шелкопрядов для производства своего рода композитного материала, состоящего из белков собственного шелка одомашненных насекомых и белков шелка паука. «У них довольно впечатляющие свойства», — сказал Льюис.
Исследователи даже экспериментируют с генетически модифицированной люцерной. Одно из больших преимуществ заключается в том, что после извлечения белка паучьего шелка оставшийся белок может быть продан в качестве корма для скота. «Это значительно снизит стоимость производства протеина паучьего шелка», — сказал Льюис.
Создание лучшей сети
По словам Льюиса, производство синтетического паучьего шелка не является проблемой, но возможность делать это в промышленных масштабах остается камнем преткновения.
Еще одна задача — «переплетение» синтетического паучьего шелка в пригодные к употреблению изделия, которые могут воспользоваться чудесными свойствами материала.
«Белки шелка можно синтезировать синтетически, но очень сложно собрать отдельные белки в волокна или другие материальные формы», — сказал Маркус Бюлер, глава Департамента гражданской и экологической инженерии Массачусетского технологического института, в электронном письме по адресу Центр Сингулярности .«У паука есть сложный прядильный канал, в котором белки шелка подвергаются действию физических сил, химических градиентов, комбинация которых генерирует сборку молекул, которая приводит к шелковым волокнам».
Бюлер недавно выступил соавтором статьи в журнале Science Advances , в которой было обнаружено, что шелк драглайнового паука проявляет различные свойства в ответ на изменения влажности, которые в конечном итоге могут найти применение в робототехнике.
В частности, паучий шелк внезапно сжимается и скручивается при превышении определенного уровня относительной влажности, оказывая достаточно силы, чтобы «потенциально конкурировать с другими материалами, исследуемыми в качестве исполнительных механизмов — устройствами, которые перемещаются для выполнения некоторых действий, таких как управление клапаном», согласно пресс-релиз.
Изучение паучьего шелка крупным планом
Недавние исследования на молекулярном уровне помогают ученым больше узнать об уникальных свойствах паучьего шелка, что может помочь исследователям разработать материалы с исключительными возможностями.
Например, ученые из Университета штата Аризона использовали инструменты магнитного резонанса и другие инструменты для изображения брюшка паука черной вдовы. Они создали то, что они назвали первой моделью на молекулярном уровне образования волокон белка шелка паука, дающую представление о структуре наночастиц.Исследование было опубликовано в октябре прошлого года в Proceedings of the National Academy of Sciences .
Поперечный разрез брюшка паука черной вдовы (Latrodectus Hesperus), использованный в этом исследовании в Университете штата Аризона. Изображение предоставлено: Самрат Амин.Также в 2018 году исследование, представленное в Nature Communications , описало своего рода молекулярный зажим, который связывает строительные блоки белка шелка, которые называются спидроинами. Исследователи впервые заметили, что зажим самособирается в два этапа, что способствует растяжимости или растяжимости паучьего шелка.
Другая группа исследователей поместила паучий шелк коричневого отшельника под атомно-силовой микроскоп и обнаружила, что каждая прядь, которая уже в 1000 раз тоньше человеческого волоса, состоит из тысяч нанонити. Это помогает объяснить его необычайную прочность на разрыв, хотя техника также играет важную роль, поскольку коричневый отшельник использует особый метод петли для укрепления своих шелковых нитей. Исследование также появилось в прошлом году в журнале ACS Macro Letters .
Изготовление паучьей шелковой палочки
Бюлер сказал, что его команда сейчас пытается разработать более эффективные и быстрые методы прогнозирования для создания белков шелка с использованием искусственного интеллекта.
«Эти новые методы позволяют нам создавать новые конструкции белков, которые не существуют в природе и которые можно исследовать для оптимизации определенных желаемых свойств, таких как торсионное срабатывание, сила, биоактивность — например, тканевая инженерия — и другие», — сказал он.
Между тем, лаборатория Льюиса открыла метод, который позволяет солюбилизировать белок шелка паука в том, что по существу является раствором на водной основе, избегая кислот и других токсичных соединений, которые обычно используются в процессе.
Это позволяет исследователям разрабатывать материалы помимо волокон, в том числе клеи, которые «лучше, чем многие существующие в настоящее время коммерческие клеи», сказал Льюис, а также покрытия, которые можно было бы использовать, например, для гашения вибрации.
«Мы делаем гели для различных видов регенерации тканей, а также для доставки лекарств и тому подобного», — добавил он. «Таким образом, мы расширили профиль использования с чего-то помимо волокон до гораздо более обширного ассортимента возможных видов материалов.”
И, да, в лаборатории синтетического паучьего шелка есть даже проекты для создания материала для перевязки паутины Человека-паука. ВМС США заинтересованы в неразрушающих способах вывода из строя вражеского судна, например, в загрязнении его винта. Проект также включает производство синтетических белков из миксины, похожего на угря существа, которое при угрозе выделяет студенистую слизь.
Льюис сказал, что, хотя потенциал паучьего шелка, безусловно, является сенсационным, он предупредил, что большая часть шумихи не сосредоточена на уникальных механических свойствах, которые могут привести к прогрессу в здравоохранении и других отраслях промышленности.
«Мы хотим видеть паучий шелк там, потому что это уникальный материал, а не потому, что он имеет маркетинговую привлекательность», — сказал он.
Кредит изображения: mycteria / Shutterstock.com
Запутанная история плетения из паучьего шелка
Несколько лет назад моя мама подарила мне шелковый шарф. На ощупь это доставляет особое удовольствие: легкое, как ветер, и гладкое, как вода. Трудно поверить, что нити, из которых состоит ткань, были сотканы маленькими белыми червяками, извлеченными из крепостей, которые они пряли, когда они начали метаморфоз от личинки до мотылька.Шелк прекрасен. Но на протяжении веков люди были очарованы поисками еще более странной и неуловимой ткани: паучьего шелка.
Зачем плести шелк из паутины? Во-первых, пауки более распространены, чем шелкопряды. В них живут практически все на земле (включая мою квартиру). И куда бы они ни пошли, они плетут свои сети. С другой стороны, паучий шелк — настоящее чудо природы — прочный, как сталь, легкий, как перышко. Представьте себе ткань, которую можно соткать из этих дрожащих тонких ниток.Пауки, безусловно, могут эффективно использовать его: среди прочего, для создания коконов, подкладок гнезд, следов феромона, липких спиралей захвата и спасательных кругов. Некоторые пауки могут даже взлетать на воздушном шаре на шелке, плывя на многие мили на кружащихся перьях. Есть даже один вид пауков, обитающих под водой. Он заключает в свою паутину воздушный пузырь и возвращается к нему с охоты, чтобы время от времени перевести дух.
Люди тоже давно используют паучий шелк. На Соломоновых островах коренные жители используют хитроумную установку, состоящую из воздушного змея, лески и приманки из паучьего шелка, чтобы поймать неуловимую рыбу-иглу, чей рот слишком узок, чтобы зацепиться за традиционный крючок.В древности греки и римляне залечивали свои боевые раны припарками из паучьего шелка.
Никому еще не удалось нанять архетипического ткача в качестве агента текстильной промышленности.
Несмотря на все это, паук держится вне наших станков. Еще никому не удалось нанять архетипического ткача в качестве агента текстильной промышленности. Это не из-за отсутствия попыток. В 1700-х годах французский натуралист Бон де Сен-Илер подарил Французской академии набор перчаток и чулок из паучьего шелка.Он смог собрать достаточно материала, пообещав своим соседям заплатить цену шелка, фунт за фунт, для мешков паучьих яиц, брошенных в углах их коттеджей. (Несомненно, соседи обрадовались возможности воспользоваться его глупостью.)
Ткач-любитель был вполне удовлетворен его результатами: «И, собрав огромное количество этих мешков, я сделал этот новый шелк, который ни в чем не уступает по красоте обычному шелку. Он легко принимает всевозможные цвета; и из него с таким же успехом можно делать большие куски, чем чулки и перчатки, которые я вам здесь представляю.Бон был убежден, что он находится в авангарде новой индустрии. Вскоре пауки заменят шелкопряда, и Франция станет первым.
Однако, когда Людовику XIV подарили одежду из паучьего шелка, он не был так впечатлен. Судя по всему, материал быстро разорвался во всех направлениях — неисправность королевского гардероба, унизившая короля.
В 1800-х годах Франция предприняла еще одну попытку превратить шелк паука в промышленность. На этот раз впереди шла одержимость иезуитского миссионера Поля Камбуэ.Занимаясь прозелитизмом на Мадагаскаре, он был очарован Ткачом Золотых Сфер.
Поль Камбуэ изобрел устройство, чтобы наматывать масляно-желтый шелк паука прямо из его живота.
Ткач Золотых Сфер — поразительное существо. С вытянутыми ногами он размером с человеческую руку, а размеры его паутины соответствуют размеру. Его шелк сияет желтым шафраном на солнце. Камбуэ изобрел устройство, чтобы наматывать масляно-желтый шелк паука прямо из его живота. Устройство, мрачно названное «гильотиной», выглядело как уменьшенная версия средневекового ложа: паук помещен в деревянное коромысло, его брюшко торчит с одной стороны, а ноги и голова — с другой.Легким прикосновением к спиннерам паукообразного драглайна приклеивается к вашему пальцу и готов к разворачиванию. Хотя ткачество из паучьего шелка — давняя идея, это странное устройство представляет собой первую реальную попытку индустриализировать процесс, привить живое существо к машине.
Работа Камбуэ привела к созданию небольшой фермы по выращиванию паучьего шелка в Профессиональной школе в Тананариве. Малагасийских девочек использовали для ловли пауков в корзины, запирали их в машинах и наматывали их золотые нити.Сплетенный из этих нитей балдахин для кровати был показан на Парижской выставке 1900 года. Это был явный символ того, как французы использовали ресурсы своей новой колонии, как продукты ее животных, так и труд ее людей.
Но пауки по самой своей природе сопротивлялись превращению в промышленных рабочих. Вынужденные находиться в непосредственной близости, они «плели паутиной на стенах своей тюрьмы, пока они не были полностью покрыты, чтобы в них не могли проникнуть комары или другие насекомые.Таким образом, лишенный пищи, исходя из принципа выживания наиболее приспособленных, более сильные продолжали пожирать более слабых, пока лишь немногие были извлечены живыми, но они достигли огромных размеров ». Возможно, поэтому паукам не удалось вытеснить шелкопряда: они слишком разобщены, чтобы их можно было разводить.
Тем не менее, очарование паучьего шелка продолжает привлекать новых одержимых. Всего шесть лет назад в музее Виктории и Альберта был открыт плащ из паучьего шелка. Он представляет собой работу восьми лет, восьмидесяти человек и одного миллиона ткачей золотых сфер.Накидка из солнечного золота украшена изображениями пауков, закидывающих паутину — дань уважения мастерам ткачам.
почему паучий шелк так легко рвать, хотя он якобы прочнее стали?
CC BY-NDЛюбопытные дети — это серия сериала «Разговор», в котором детям любого возраста предоставляется возможность получить ответы на свои вопросы о мире от экспертов. Приветствуются все вопросы: вы или взрослый можете отправить их — вместе со своим именем, возрастом и городом или городом, в котором вы живете — curiouskids @ theconversation.com. Мы не сможем ответить на все вопросы, но сделаем все возможное.
Как паучий шелк так легко рвать, когда он прочнее стали? — Джордж, десять лет, Хедерсетт, Великобритания.
Спасибо за вопрос, Джордж. Простой ответ — паучий шелк легко рвется, потому что он действительно, действительно, , на самом деле тонкий. Нить в паутине садового паука составляет всего 0,003 миллиметра в поперечнике, что более чем в 20 раз тоньше волоса на вашей голове.
Но есть еще несколько вещей, которые нам нужно распутать, чтобы увидеть, насколько прочен паучий шелк по сравнению со сталью.
Сталь — это материал, называемый сплавом, что означает, что это смесь металлов. Основной металл в стали — это железо. В железо добавляются другие металлы, в зависимости от того, для чего нужна сталь.
Например, ножи и вилки изготовлены из нержавеющей стали, которая не ржавеет. Для этого нужно смешать железо и хром.
Мост гавани Сиднея сделан из стали.SydneyLens / Flickr., CC BY-NC-NDНо, может быть, вам нужна действительно прочная сталь, чтобы из нее можно было строить здания и краны. Затем вам нужно будет смешать железо с массой разных металлов, включая титан и ванадий.
Но есть и более прочные стали. Ваш велосипед может быть построен из так называемой мартенситностареющей стали, а также из железа, никеля, кобальта, молибдена, титана и алюминия.
Шелк различных пауков
Шелк — материал, который сильно отличается от стали.На самом деле это белок — тот же самый материал, из которого сделаны ваши волосы и ногти.
Мы используем сталь для различных работ, а пауки также используют шелк для самых разных вещей. И так же, как наша сталь, паукам для разных работ нужны разные шелка.
Давайте посмотрим на обычного европейского садового паука: это прекрасное создание плетет красивые круглые сети, используя два типа шелка.
Милая штучка. Рюдигер Штен / Flickr., CC BY-SAСпицы паутины сделаны из шелка драглайна.Он прочный и слегка эластичный, а это значит, что он хорошо подходит для создания основных опор для Интернета.
Остальная часть паутины сделана из флагового шелка, который менее прочен, но очень эластичен, поэтому он действительно хорошо поглощает удары, когда большая большая муха врезается в паутину.
Но лучший конструктор мира пауков — паук из коры Дарвина. Он производит огромные полотна размером с кухонный стол.
Иногда их подвешивают к деревьям на шелковых нитях, тянущихся прямо через реки.Чтобы паутина оставалась на месте, паук использует сверхпрочные шелковые нити.
Паутина дарвиновского паука из коры тянется через реку. Инги Агнарссон, Матьяж Кунтнер, Тодд А. Блэкледж / Wikimedia Commons., CC BYЯ сделал несколько расчетов на основе того, что ученые знают о прочности этих различных материалов, чтобы сравнить сталь с паутинным шелком и посмотреть, насколько они прочны.
Паутина-победитель
Представьте, что у нас есть нить из каждого материала толщиной около миллиметра — это примерно ширина булавочной головки.Кто мог повесить их, пока они не сломались?
Самым слабым из них является шелк в виде флага: десятилетняя девочка, вероятно, могла бы раскачиваться на этой нити, но ничего тяжелее.
Затем идет высокопрочная сталь, с которой было бы неплохо, если бы на ней висел шимпанзе.
Шелк драглайна выдержит маленького взрослого человека, например Человека-паука.
Далее идет дарвиновский шелк коры паука, он сломается, если на него попытается залезть что-нибудь крупнее панды.
И, наконец, горилла могла бы хорошо болтаться на нитке из мартенситностареющей стали толщиной в один миллиметр.
Это означает, что некоторые из самых прочных сталей на самом деле тверже, чем шелка чемпионов-пауков. Это позор, но для пауков еще не все потеряно: помните, что некоторые из их шелка все еще прочнее, чем некоторые стали.
Другие статьи «Любопытные дети», написанные академическими экспертами:
.