SciAdv: вытягивание паутины при выработке делает ее прочнее
«Ноу-хау» пауков подтвердили экспериментально.
Вытягивая паутину задними лапами, пауки заодно усиливают ее прочность паутины — таковы результаты моделирования, проведенного в Северо-Западном университете в США. Прежде чем опубликовать эти выводы в Science Advances, ученые убедились в их верности экспериментально.
Прочнее стали, устойчивее кевлара
Исследователи давно интересуются паутиной из-за ее впечатляющих свойств. Она прочнее стали, устойчивее кевлара и эластична, как резина. Однако разведение пауков ради паутины — дело хлопотное и абсолютно непрактичное, поэтому ее хотят воссоздать в лабораторных условиях.
«Паутина — самое прочное органическое волокно, причем биоразлагаемое. Поэтому это идеальный материал для медицинских целей. Ее можно использовать для хирургических швов и клейких гелей для закрытия ран, поскольку она естественным и безопасным образом разлагается в организме», — объяснил Джейкоб Грэм из Северо-Западного университета, первый автор исследования.
На протяжении уже нескольких лет его соавтор Фучжун Чжан из Университета Вашингтона в Сент-Луисе (WashU) занимается разработкой микробов для производства материалов, похожих на паутину, и ему уже удалось создать искусственные волокна, близкие по свойствам к нитям золотого паука-кругопряда, известного своей невероятно прочной паутиной.
Моделирование растяжения
Несмотря на разработку рецепта паутины, до сих пор оставалось неясным, как на структуру и прочность волокон влияет процесс их прядения. Грэм и его руководитель профессор Синан Кетен построили компьютерную модель для симуляции молекулярной динамики в искусственной паутине Чжана.
Она помогла увидеть, что растяжение заставляет белки выстраиваться в линию, что увеличивает общую прочность волокна. Оказалось также, что вытягивание увеличивает количество водородных связей, которые действуют как мостики между белковыми цепочками — и это способствует повышению общей прочности, устойчивости и эластичности волокна.
«После того, как волокно выдавливается, его механические свойства на самом деле довольно слабы, — заметил Грэм. — Но когда его растягивают в шесть раз по сравнению с первоначальной длиной, оно становится очень прочным».
Экспериментальная проверка
Для проверки полученных на компьютере выкладок использовали методы спектроскопии, чтобы изучить, как белковые цепи растягиваются и выравниваются в реальных волокнах команды из WashU.
Волокно искусственной паутины под сканирующим электронным микроскопом
«Если не растягивать материал, он состоит из белковых шариков. А растяжение превращает их в более взаимосвязанную сеть. Белковые цепочки накладываются друг на друга, и сеть становится все более и более взаимосвязанной. Связанные белки могут раскручиваться и растягиваться дальше до разрыва волокна, но изначально вытянутые белки делают волокна менее растяжимыми, но более прочными», — поделился Грэм.
Раньше он считал пауков просто неприятными тварями, но теперь нашел в них многообещающий потенциал для решения реальных проблем: искусственная паутина может быть отличной альтернативой другим синтетическим материалам, которые в основном производятся из нефтепродуктов.
«Я определенно смотрю на пауков в новом свете, — признался ученый. — Раньше я считал их вредителями. Теперь они вызывают у меня восхищение».
По материалам Ⓒ НАУКА
Оценили 2 человека
6 кармы