Japońscy naukowcy opracowali urządzenie, które wytwarza sztuczną nić przędną. Jak twierdzą, powstała w laboratorium nić jest bardzo podobna do tego, co pająki wytwarzają w sposób naturalny. Sztuczny gruczoł przędny potrafi odtworzyć złożoną strukturę molekularną nici produkowanej przez pająki, naśladując różne zmiany chemiczne i fizyczne, które zachodzą w ich gruczole przędnym.
Sztuczny gruczoł przędny pająka został opracowany w badaniach prowadzonych pod kierunkiem Keiji Numaty z RIKEN Center for Sustainable Resource Science w Japonii. W badaniach brali także udział naukowcy z RIKEN Pioneering Research Cluster. Urządzenie zostało zaprojektowane tak, aby odzwierciedlało zmiany fizyczne i chemiczne zachodzące w gruczole pająka.
Opis i rezultaty prac ukazały się na łamach pisma „Nature Communications” (DOI: 10.1038/s41467-024-44733-1).
Nić pajęcza ma bardzo dobre właściwości mechaniczne. Jest elastyczna, może rozciągać się nawet o 40 proc. bez uszczerbku. Ma też najwyższą wytrzymałość wśród naturalnych włókien, która jest porównywalna ze stalą o tej samej średnicy. Nić wytwarzana przez pająki jest także biokompatybilna, co oznacza, że może mieć zastosowania medyczne. Ulega też biodegradacji.
Dlaczego więc jest tak rzadko wykorzystywana? Bo hodowla pająków do produkcji nici na dużą skalę jest trudna. Przede wszystkim pająki mają tendencję do zjadania się nawzajem, dlatego już samo utrzymanie hodowli nastręcza problemów. Do tego w hodowli wytwarzają one niewielką ilość cennej nici przędnej.
Badacze od lat starają się opracować włókno o podobnych właściwościach, co nić przędna. Jak do tej pory nie powstało nic, co by można było wykorzystać w produkcji na masową skalę. Jednak warto wspomnieć o badaniach sprzed kilku miesięcy, w których chińscy naukowcy zmodyfikowali jedwabniki tak, by zamiast jedwabiu wytwarzały sieć przędną pająków (więcej na ten temat w tekście: Jedwabniki z genami pająków przędą nić mocniejszą od kevlaru). Do produkcji nici przędnej wykorzystywano także zmodyfikowane genetycznie bakterie (więcej w teście: Pajęcze nici wytwarzane przez zmodyfikowane bakterie są mocniejsze od stali i kevlaru).
Nić przędna to włókno biopolimerowe wykonane z dużych białek o wysoce powtarzalnych sekwencjach, zwanych spidroinami. W nici przędnej znajdują się też inne struktury molekularne zwane harmonijkami beta, które muszą być odpowiednio ułożone, aby włókna nici mogły zachować swoje unikalne właściwości mechaniczne. Odtworzenie tej złożonej architektury molekularnej nie jest prostym zadaniem.
Naukowcy z RIKEN przyjęli w swoich pracach podejście biomimetyczne. - W tym badaniu próbowaliśmy naśladować naturalną produkcję nici przędnej za pomocą mikrofluidyki, która obejmuje przepływ i manipulowanie niewielkimi ilościami płynów przez wąskie kanały. Rzeczywiście można powiedzieć, że gruczoł przędny pająka działa jak rodzaj naturalnego urządzenia mikroprzepływowego – powiedział Numata.
Opracowane urządzenie to małe, prostokątne pudełko z wyciętymi w nim maleńkimi kanałami. Roztwór prekursora spidroiny umieszcza się na jednym końcu, a następnie przy pomocy podciśnienia kieruje się go do drugiego końca. Gdy roztwór płynie przez kanały mikroprzepływowe, jest wystawiony na precyzyjnie dobrane zmiany warunków chemicznych i fizycznych, które są możliwe dzięki specjalnej konstrukcji układu mikroprzepływowego. W odpowiednich warunkach białka spidroiny samoorganizują się we włókna nici o charakterystycznej złożonej strukturze.
Dobranie odpowiednich parametrów, żeby zidentyfikować prawidłowe warunki nie było łatwe. Ale ostatecznie udało się zoptymalizować interakcje między różnymi obszarami układu mikroprzepływowego. Badacze podczas eksperymentów odkryli między innymi, że użycie siły do przepchnięcia prekursora białek nie działa. Dopiero gdy do przemieszczenia roztworu spidroiny użyto podciśnienia, powstały włókna z prawidłowej strukturze.
- Zaskakujące było, jak solidny był system mikroprzepływowy po ustaleniu i zoptymalizowaniu różnych warunków. Układanie się włókien było spontaniczne, niezwykle szybkie i wysoce powtarzalne. Co ważne, włókna wykazywały wyraźną hierarchiczną strukturę, jaką można znaleźć w włóknie naturalnej nici przędnej – przyznał Ali Malay, jeden ze współautorów publikacji.
- W idealnej sytuacji chcielibyśmy mieć wpływ na świat rzeczywisty. Aby tak się stało, będziemy musieli zwiększyć skalę naszej produkcji włókien i sprawić, że będzie to proces ciągły. Ocenimy również jakość naszej sztucznej nici przędnej za pomocą kilku wskaźników i na tej podstawie wprowadzimy dalsze ulepszenia – podkreślił Numata.
Źródło: RIKEN, fot. Arivumathi, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
