Biofizykom z Politechniki w Monachium i Uniwersytetu w Bayreuth (Niemcy) udało się odtworzyć w laboratorium naturalny proces syntezy pajęczych nici. Dzięki temu możliwe będzie poznanie właściwości fizycznych i chemicznych tych naturalnych włókien o ogromnej wytrzymałości. Pracę niemieckich bioinżynierów publikuje “PNAS“.
Badania były prowadzone w ramach dwóch klastrów doskonałości “Nanosystems Initiative Munich” (NIM) oraz “Munich-Center for Integrated Protein Science” (CIPs).
Naturalne pajęcze nici są niezwykle wytrzymałe na rozciąganie, gdyż muszą przyjąć ogromną siłę uderzeniową owadów, wpadających w nie z całym impetem, i jeszcze je utrzymać w sieci. Wytrzymują one nacisk niemal taki sam jak najlepsza stal, lecz mają kilkakrotnie mniejszą gęstość, a więc i wagę. Syntetycznie produkowane nici mogłyby znaleźć szereg zastosowań: w chirurgii do zaszywania ran (są immunokompetenetne, nie powodowałyby więc ryzyka odrzuceń). Nici takie mogłyby również posłużyć do naprawiania przerwanych nerwów. Niektórzy naukowcy widzą również możliwość stosowania pajęczych nici do produkcji ubrań zamiast dziesiejszych tworzyw sztucznych.
Przemysłowa produkcja nici była do tej pory praktycznie niemożliwa z powodu… kanibalizmu pająków. Utrudniało to masową hodowlę tych owadów. Naturalne nici składają sie z mieszanki różnych białek, które są składane dopiero w momencie produkcji. W zależności od przeznaczenia, powstają różne rodzaje nici (mogą być lepkie - by unieruchomić ofiarę - lub gładkie - by pająk bezpiecznie mógł się po niej poruszać).
Aby jednak białka złożyły się w nić, niezbędne są odpowiednie wiązania chemiczne. Komórki gruczołów przędnych wydzielają najpierw fosforan potasu i kwasy, aby z rozpuszczalnych protein uformowały się białka w kształcie beta harmonijki. Takie struktury dzięki połączeniu wielu z sobą sądsiadujących słabych wiązań wodorowych zyskują ogromna wytrzymałość mechaniczną i stabilność.
Do tej pory proces powstawania nici był niezwykle trudny do zaobserwowania, gdyż zachodzi on bezpośrednio w pająku. Do tego białka, z których nici są wykonane, dostępny jest w niewielkich ilościach. Dzięki badaniom zespołu prof. Thomasa Scheibela z Uniwersytetu w Bayreuth nie jest to już problemem. Naukowcy opracowali bowiem genetycznie zmodyfikowane bakterie, które produkują pajęcze nici. Natomiast badaczom z grupy prof. Andreasa Bauscha z Politechniki w Monachium udało się zbudować na płytce pleksiglasowej (o szerokości 100 mikrometrów, z wieloma kanałami) narządy przędne pająków i dzięki temu zbadać warunki, w jakich powstają nici. Przez mikrokanały przepływają roztwory białek. Dzięki tej mikroprzepływowej technice udało się wybrać dwie mieszanki białek o najlepszych właściwościach: eADF3 i eADF4 (ang. engineered Araneus Diadematus Fibroin - białko pająka ogrodowego).
Naukowcy dowiedli również, że niezbędne jest białko eADF3, aby tworzyły się stabilne i wytrzymałe nici. Nie zapewnia tego obecność jedynie eADF4, choć białko to daje większą żywotność materiału.
“Spróbowaliśmy naśladować i zrozumieć przyrodę najlepiej, jak to było tylko możliwe. Dzięki temu zrobiliśmy duży krok, aby móc wytwarzać syntetyczne biomateriały“, powiedział prof. Bausch.
źródło: Innovations-report.de, “Wissenschaftler der TU München stellen Spinnenseide synthetisch her”
———————————
Oryginalna publikacja: S. Rammensee et al., “Assembly mechanism of recombinant spider silk proteins”, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, Published online on April 29, 2008, doi:10.1073/pnas.0709246105
