Паутина для жизни

После столетий неудачных попыток, один из самых крепких и тягучих материалов природы, наконец, доступен нам.

В 1709 году президент Счетной палаты Монпелье Франсуа Ксавьер Бон де Сент-Илер представил «королю Солнце» Людовику XIV пару серебристых чулок из паутины, сотканных с помощью сотен кропотливо собранных паучьих мешочков. «Единственная трудность теперь заключается в том, чтобы раздобыть достаточное количество этих мешочков, чтобы сделать что-то значительное» — писал Бон в письме британскому Королевскому обществу на следующий год. Спустя более трёх столетий эта немаловажная трудность преодолена, и простолюдины впервые получили возможность приобрести собственную одежду из паутины, в частности, тканый галстук, окрашенный в синий цвет и выпущенный ограниченным тиражом в 50 экземпляров биотехнологической компанией Bolt Threads.

Пауки, конечно же, производят паутину для своих целей очень и очень долго. По словам Пола Хилльярда, автора книги «Частная жизнь пауков», самым ранним свидетельством этого является сланец возрастом 300 млн. лет из штата Нью-Йорк, в котором палеонтологи обнаружили окаменелый паучьий хвост, из которого торчал пучок паутины. С тех пор, паукообразные развили семь различных специализированных паутинных гланд. Мужские пауки-крабы производят ацинообразную паутину, чтобы связать своих самок перед спариванием, пауки-самки плетут шелковистые тубулярные яйцевые мешочки. Другие виды поуков производят специальные липкие шёлковые шарики, с помощью которых могут строить свои тяжёлые «двери» из слоистой земли и шелка. Самый универсальный вид, однако, — ампулата или драглайн, паутина, которую пауки используют для передвижения и создания своих паутин. В сочетании эти различные виды паутин могут быть использованы для создания, казалось бы, бесконечного разнообразия форм: паучьи удочки, паучьи зонтики и даже паучий камуфляж («маленький, грязно выглядящий клочок белого шелка» может показаться удивительно похожим на падающую птицу, замечает Хилльяард).

Человеческое использование паутины отстаёт от собственной изобретательности паукообразных. Древние греки использовали яйцевые мешочки для перевязывания ран, а новогвинейские рыбаки делали из паучьей паутины сети. Что же касается одежды, то предпочтение отдавалось более слабым нитям шелкопрядов. Бон приписывал это предрассудкам человечества в отношении «столь удобного насекомого», но более практичная причина заключается в том, что пауки оказались стойкими к одомашниванию. «Размножение молодых пауков в неволе», отмечает Бон, всегда заканчивалось одинаково: сражались и поедали друг друга. И это грустно, потому что паучий шёлк – удивительный материал. У него отличная жёсткость, она может быть прочнее стали и даже кевлара. Хотя человек может пройти через паутину с относительной лёгкостью, потому что каждая прядь имеет толщину всего в три тысячных миллиметра. Если увеличить диаметр пряди до миллиметра, то паутина сможет ловить вертолёт так же эффективно, как в настоящее время ловит мух. Паучья паутина также чрезвычайно эластична и легка, некоторые её виды могут растягиваться более чем в пять раз. Прядь, которая окажется достаточно длинной чтобы окружить Землю, будет весить чуть больше фунта. Арахниды также являются прекрасными химиками, часто придавая своей паутине водоотталкивающие и противогрибковые свойства.

Привлечённые этими свойствами горстка предприимчивых экспериментаторов много лет пыталась следовать по стопам Бона — и непременно сталкивалась с той же проблемой масштаба. Врач эпохи гражданской войны в США Берт Грин Уайлдер, который наиболее известен тем, что первым использовал термин нейрон в печати, сообщал, что извлёк сто пятьдесят ярдов золотой нити из большого паука во время службы на Острове Фолли в Южной Каролине. Вдохновенный, Уайлдер пытался создать машину по извлечению паутины: навесная деревянная доска обездвиживала паука, удерживая его голову и лапки на одной стороне, а живот – на другой, ручная коленчатая катушка извлекала паутину. Это было хитроумное приспособление, но позже Уайлдер пришёл к выводу, что всего для одного платья потребуются материалы из пяти тысяч животных. Более века спустя, наука не продвинулась слишком далеко вперёд. В 1982 году исследователи из Университета Северной Каролины все ещё публиковали документы, описывающие «аппарат и технику для принудительного извлечения паутины из пауков» — по сути, это была обновлённая версия устройства Уайлдера, способная работать с десятками пауков одновременно.

Затем произошла революция в области генетики в 90е годы, и благодаря ей появилась возможность выводить более послушные и плодовитые виды. Больше не было необходимости в молочных фермах и ранчо; генетически модифицированные бактерии E. coli, дрожжи, табачные растения и даже козы могли справиться с данной работой (остатки стада коз, которые финансируются Министерством обороны, в настоящее время проживают в Университете штата Юта, после того как биотехнологическая компания, которая разводила их для производства паутины в молоке, подала заявление о банкротстве).

Проблема заключалась в том, что, даже когда живые пауки удалялись из уравнения, процесс оставался, по мнению Дэна Уидмайера, руководителя компании Bolt, «просто ужасно тяжёлым». Компания пыталась производить свою паутину используя пивные дрожжи, ферментированные в резервуарах из нержавеющей стали с водой и сахаром — довольно простая установка. Последовательности генов, которые отвечают за производство шелка, состоят почти полностью лишь из двух молекул, что означает, что они часто повторяются и легко повреждаются. Увлечение этими последовательностями в попытках заставить дрожжи производить различные виды паутины, по словам Видмайера, было «болезненным»: Болту с 2009 году пришлось опробовать более 4 тыс. вариаций. «И потом, если вам удалось преодолеть процесс брожения, и микроорганизмы произвели весь этот красивый белок, ваша следующая проблема — как получить чистое высококачественное сырьё для пряжи», — говорит он. Другими словами, дрожжи должны производить такую паутину, которую учёным не пришлось бы дополнительно чистить.

После того, как протеин отделяют от сладкой, дрожжевой воды в ёмкостях для брожения, его очищают до порошка. «Похоже на то как если бы вы приобрели что-то в GNC чтобы заставить дрожать мышцы», — говорит Уидмайер. Затем порошок смешивают с растворителем до тех пор, пока он не станет вязким как каучуковый цемент: полученная смесь называется прядильной смесью и может быть экструдирована через матрицу для создания волокна (в природе паук опирается на двухтактный механизм, чтобы превратить прядильный раствор в нить: внезапное падение кровяного давления выталкивает вязкие протеины из брюшной полости, а паук вытягивает их в нити используя ноги и вес тела). «Во время искуственной пряжи существует вероятность множества ошибок», говорит Уидмайер. Любая неточность в чистоте белка, вязкости, химическом составе, температуре может превратить прядильный раствор в вязкую кашу, которая образует шарики, а не нити и заклинивает матрицу. Поэтому Уидмейер гордится тем в том, что он создал пятьдесят галстуков, каждый из которых содержит эквивалент девяносто километров паучьей паутины.

«Болт Никс» и обанкротившаяся компания козми «Utost’s Biosteel», не одиноки в поиске генетически спроектированной паутины. В прошлом году японская фирма Spiber использовала E. coli для создания одноразовой парки для The North Face, а Adidas в партнерстве с немецкой компанией биоматериалов AMSilk, пытаются производить кроссовки из паутины. Но Bolt впереди всех на пути к тому, чтобы сделать коммерческий продукт, даже несмотря на то, что производство столь мизерно, что компании приходится выбирать своих покупателей с помощью лотереи. На данный момент галстуки не обладают крепостью стали, пуленепробиваемыми свойствами, водонепроницаемостью или супер эластичностью: учёные рекомендуют обращаться с ними очень нежно. Тем не менее научные лаборатории работают над несколькими ещё более амбициозными продуктами. Учёные также пытаются улучшить воздействие технологии на окружающую среду. Текстильная промышленность наиболее сильно загрязняет сточные воды в любом секторе, главным образом благодаря синтетическим красителям, поэтому Болт работает над штаммом дрожжей, который может производить паутину. И в долгосрочной перспективе, говорит Видмайер, цель состоит в том, чтобы отделить дрожжи от кукурузного сахара, и пересадить их на сахар на основе целлюлозы из макулатуры, опилок и осадка сточных вод. Биоиндустриальные волокна обладают значительным экологическим преимуществом в отрасли, такими как нейлон и спандекс.

Компания смотрит не только за пределы нитей, но и за границы паутины. «В некотором роде всю нашу деятельность можно назвать плетением паутины», — говорит Уидмайер. «В конце дня мы создаем белковые волокна с поперечными сечениями, текстурами и свойствами, которые дают ощущение чего угодно: шерсти, нейлона или чего-то совершенно нового». В будущем биошёлк иожет оказаться в таких разнообразных продуктах, как военная броня и фармацевтическая упаковка, но собственная мечта Уидмайера проста: лучший, более прочный, более удобный свитер с длинными рукавами. «Я знаю, это не космический лифт», — говорит он. «Но это то, чем я действительно восхищаюсь».

Источник

Перевод

 

 

ЕЩЕ ПО ТЕМЕ