Прочнее железа и стали - китайцы открыли биоматериал будущего

Ученые Поднебесной с помощью шелкопрядов создают нить, которая обладает невероятной прочностью

Дмитрий Капустин

Паутина и шелк прочнее стали. Если сравнивать паутину и шелк со сталью по такому параметру, как прочность на разрыв (наибольшее напряжением, которое материал может выдержать перед разрывом), то биологическая субстанция превосходит рукотворную. Для паутины значение прочности при растяжении чуть выше 1 ГПа, у натурального шелка доходит до 2 ГПа, а у стали колеблется от 0,2 ГПа до почти 2 ГПа.

Жаль, правда, что шелкопряды не производят шелк в таких же количествах как доменные печи - сталь. Профессор Густаво Плаза из Мадридского политехнического университета говорит, что процесс получения паутины шелка настолько сложен, что пока человечеству не удалось точно повторить его. При попытке повторного прядения растворенного шелка с использованием тех же белков, не удалось восстановить прежние свойства материала. Таким образом, процесс лабораторного получения паучьего шелка остается неразрешимой задачей для ученых.

Ученые давно думали, как бы научить пауков вырабатывать больше паутины. Компания Nexia Biotechnologies генетически модифицировала коз для производства паутины: содержащийся в козьем молоке сверхпрочный белок ученые назвали BioSteel. Однако никто не смог придумать, как дешево отделить нити от козьего молока, и Nexia обанкротилась в 2009 году.

Шелкопряды с "волшебными" генами плетут шелк для "умной" одежды будущего

Традиционно шелк производится шелкопрядами и является дорогим материалом. Однако благодаря генетической модификации шелкопрядов процесс производства шелка можно упростить и ускорить. Более того, возможно получение шелка с новыми свойствами и качествами.

Китайские генетики смогли достичь значительного прорыва в создании натурального шелка, используя новейшую технологию редактирования генов CRISPR. В результате эксперимента они внедрили гены, ответственные за производство белков паучьего шелка, в секреторные железы шелкопрядов.

Для достижения этого результата ученые использовали микроинъекции, вводя гены внутрь яиц шелкопрядов. Затем они разрешили шелкопрядам завершить свой жизненный цикл до стадии мотылька, когда проходит процесс спаривания. В этот период произошло скрещивание генетически модифицированных шелкопрядов с обычными особями.

Из следующего поколения шелкопрядов исследователи отобрали несколько особей, включая некоторых мутантов.

Все они сохранили способность выделять шелк. Чтобы более подробно изучить создаваемый ими материал, ученые заставили этих особей прясть шелк. После этого был проведен анализ структуры и механических свойств полученного шелка.

Это достижение открывает перспективы для различных отраслей, включая текстильную промышленность и медицину. Шелковые материалы могут быть использованы для создания прочной и легкой одежды, а также для производства медицинских имплантатов и биоматериалов.

За счет возможности генетической модификации шелкопрядов, исследователи теперь имеют возможность создания шелка с уникальными химическими и механическими свойствами. Это может включать шелк с повышенной прочностью, эластичностью или устойчивостью к воздействию влаги или температурных изменений.

Шелкопрядов накормили нанотрубками и создали биоматериал будущего

А вот китайские ученые из Университета Цинхуа в Пекине пошли еще дальше. Они не стали генетически редактировать шелкопрядов, а просто заставили их есть "нужные" материалы.

Биологи провели исследование, в ходе которого им удалось заставить шелкопрядов (личинок моли) производить супер-шелк, который на 50 процентов прочнее обычного шелка. Для этого ученые скармливали шелкопрядам рацион, обогащенный углеродными наноматериалами.

Ученые использовали одностенные углеродные нанотрубки, известные как графен, и распылили их на листья шелковицы, которые шелкопряды употребляют в пищу. После того, как шелкопряды переварили обработанные листья, наноматериалы были включены в шелковые волокна.

При нагревании, измененный шелк также стал способен проводить электричество, что открывает новые возможности в создании проводящих материалов для умной одежды и других электротехнических приложений.

Ученые пока не полностью понимают, как наноматериалы попадают в состав шелка. Однако идея использования нанотрубок для "армирования" шелка является перспективной для промышленного производства. Некоторые химики в этой области считают, что это простой способ получения высокопрочных шелковых волокон в больших масштабах.

В исследовании ученые отмечают, что выращенная ими шелковая нить имеет прочность на разрыв в 1,3 ГПа, что превосходит прочность кевлара в 6 раз. Кроме того, она обладает вязкостью, которая превосходит аналогичный показатель у большинства известных материалов - как природных, так и искусственных.

Профессор Джунпенг Ми из Университета Донхуа называет шелк стратегическим ресурсом человечества, который нуждается в дальнейших исследованиях.

Он предлагает использовать этот материал в различных областях, начиная с медицины. Например, натуральная шелковая нить может быть использована в качестве шовного материала, удовлетворяя спрос в более чем 300 миллионов процедур в год.