Биофизик Ирина Яшина из Университета Южной Дании держит в руках шелковые волокна, произведенные золотым паутинным пауком. Фото: Андерс Бо/Университет Южной Дании.
Многие учёные стремятся открыть необычайную способность паука плести чрезвычайно прочные, лёгкие и гибкие шелковые нити. На самом деле паучий шелк прочнее стали и жестче кевлара. Однако никому не удалось имитировать работу этих пауков.
Если бы мы могли разработать синтетические материалы, эквивалентные этим свойствам, это могло бы открыть новые возможности: синтетический паучий шелк мог бы заменить в промышленности такие материалы, как кевлар, полиэстер и углеродное волокно, и мог бы использоваться, например, для изготовления легких материалов. . и гибкие продукты. Пуленепробиваемый жилет.
Ирина Яшина, постдокторант и биофизик кафедры биохимии и молекулярной биологии Университета Южной Дании (SDU), приняла участие в гонке по раскрытию рецепта супершелка. Он был очарован паучьим шелком еще с тех пор, как был студентом магистратуры SDU, и в настоящее время исследует эту тему в Массачусетском технологическом институте в Бостоне при поддержке Фонда Velome.
Биофизик Ирина Яшина из Университета Южной Дании изучает паутину на компьютере. Фото: Андерс Бо/Университет Южной Дании.
В рамках своих исследований он сотрудничал с доцентом СДУ и биофизиком Джонатаном Брюэром, экспертом по использованию различных типов микроскопов для просмотра биологических структур.
Вместе они впервые изучили внутреннюю часть паутины с помощью оптического микроскопа, не разрезая и не вскрывая паутину каким-либо образом. Эта работа теперь опубликована в журнале 
Золотой паук-кругопряд производит шелк из своего заднего конца. Фото: Андерс Бо/Университет Южной Дании.
На сегодняшний день паучий шелк анализируется с использованием различных методов, каждый из которых дает новую информацию. Однако, как отмечает Джонатан Брюэр, у этого метода есть и недостатки, поскольку он часто требует разрезания шелковых нитей (также известных как волокна) для получения поперечных срезов для микроскопии или замораживания образца, что может изменить его структуру. шелковое волокно.
«Мы хотели изучить чистое волокно, которое не подвергалось обработке, не разрезалось, не замораживалось и не подвергалось какой-либо обработке», — рассказала Ирина Яшина.
Для этой цели исследовательский дуэт использовал менее инвазивные методы, такие как когерентное антистоксово комбинационное рассеяние, конфокальную микроскопию, конфокальную микроскопию флуоресцентного отражения со сверхвысоким разрешением, сканирующую микроскопию ионов гелия и распыление ионов гелия.
Различные исследования показали, что волокна паучьего шелка состоят как минимум из двух внешних липидных слоев, а именно липидов. За ней, внутри фибриллы, находится множество так называемых фибрилл, расположенных прямо и плотно расположенных рядом (см. изображение). Диаметр фибрилл колеблется от 100 до 150, что меньше предела, который можно измерить с помощью обычных оптических микроскопов.
Иллюстрация из Научный отчет Статья: Схематическое изображение (не в масштабе) предполагаемой структуры волокон паучьего шелка, найденной в этой работе. (A) Вид волокна сбоку. (B) Поперечное сечение волокна. Внешний непроводящий, богатый липидами слой (зеленый) толщиной от 0,6 до 1 мкм и два внутренних проводящих слоя автофлуоресцентного белка: один демонстрирует более высокое сродство к FITC (синий), а другой демонстрирует более высокое сродство к родамину B (оранжевый). Внутреннее ядро белка состоит из кристаллических волокон, параллельных длинной оси волокна, окруженных аморфными белковыми участками. Источник: Ячина/Брюэр, Университет Южной Дании.
«Он не скручен, как можно подумать, поэтому теперь мы знаем, что нет необходимости его скручивать при попытке сделать искусственный паучий шелк», — рассказала Ирина Яшина.
Ячина и Брюэр работали с шелковыми волокнами золотого паука-кругопряда Nephila madagascariensis, который производит два разных типа шелка: один, называемый MAS (первичное ампулярное шелковое волокно), используется для изготовления паутины, а также используется в качестве шелка. паук, которого можно придерживаться. Ирина Яшина называет его кровью пауков. Он очень прочный, его диаметр составляет около 10 микрометров.
Другое, называемое MiS (ампулярное микрошелковое волокно), действует как вспомогательное средство для развития. Он более гибкий и обычно имеет диаметр 5 микрометров.
По данным бинарного анализа, шелк MAS содержит фибриллы диаметром около 145 нм. А у MiS она составляет около 116 нм. Каждое волокно состоит из белка, и в нем участвуют несколько разных белков. Этот белок вырабатывается пауками при изготовлении шелковых волокон.
Понимание того, как создаются эти прочные волокна, важно, но производство волокон также является непростой задачей. Поэтому исследователи в этой области часто полагаются на пауков для производства шелка.
Вместо этого они могут использовать вычислительные методы, над которыми сейчас работает Ирина Яшина.
” данные-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>Массачусетский технологический институт: «Прямо сейчас я запускаю компьютерное моделирование того, как белки превращаются в шелк. Цель, конечно, состоит в том, чтобы научиться производить искусственный паучий шелк, но я также заинтересован в том, чтобы способствовать лучшему пониманию окружающего нас мира. ».
Ссылка: «Наноскопическая визуализация первичного и вторичного шелка ампулы круговидного паука Nephila Madagascariensis», авторы Ирина Ячина, Яцек Виотовский, Хорст Гюнтер Рубан, Фриц Фоллрат и Джонатан Р. Брейер, 24 апреля 2023 г., Научный отчет.
doi: 10.1038/s41598-023-33839-z
«Гелиевая ионная микроскопия и резка паутины», Ирина Яшина, Джонатан Р. Бройер, Хорст Гюнтер Рубан и Яцек Войтовски, 22 мая 2023 г., Сканирование завершено.
дои: 10.1155/2023/2936788
