Simply enter your keyword and we will help you find what you need.

What are you looking for?

Pajęczy jedwab – materiał przyszłości 

Spider-Man jest jednym z najpopularniejszych superbohaterów wszech czasów. To trochę zaskakujące, biorąc pod uwagę fakt, że jedną z najczęstszych fobii jest arachnofobia – strach przed pająkami. Być może najbardziej fantastyczne w tej historii jest to, że młody Peter Parker, nastoletni kujon, z dnia na dzień zyskał słynne wyrzutnie pajęczyny i syntetyczny jedwab, którego używa do poruszania się po mieście jak Tarzan przez dżunglę.

Dzieje się tak dlatego, że naukowcy od dziesięcioleci próbują odtworzyć pajęczy jedwab, materiał, który jest pięć razy mocniejszy od stali, a to tylko jedna z jego superwłaściwości. W ostatnich latach badacze rozplątywali jego strukturę włókien białkowych aż do poziomu molekularnego. Doprowadziło to do nowych spostrzeżeń i stworzyło potencjał do ewentualnego zastosowania tego materiału komercyjnie.

Rodzaje zastosowań takiego materiału wydają się niemal nieskończone. Istnieją bardzo futurystyczne wizje. Takie jak umożliwienie zrobotyzowanym „mięśniom” wykonywania ruchu podobnego do ludzkiego lub łapanie prawdziwych złoczyńców za pomocą sieci typu Spider-Man. Mniej fantastyczne zastosowanie to przemysł biomedyczny, taki jak bandaże i kleje. Syntetyczny pajęczy jedwab idealnie sprawdziłby się też jako materiał zastępczy dla niemal wszystkiego, od lin, poprzez pasy bezpieczeństwa, aż po spadochrony.

Syntetyczny pajęczy jedwab  (Spider Silk)

Randy Lewis bada właściwości jedwabiu pająka i opracowuje metody jego syntetycznej produkcji od ponad trzech dekad. W latach 90-tych jego zespół badawczy zajmował się klonowaniem pierwszego genu jedwabiu pająka oraz zidentyfikował i uporządkował białka tworzące sześć różnych nici jedwabnych, które tworzą podstawy pajęczej sieci. Każda z nich ma inne właściwości mechaniczne. „Główna myśl jaka nam przyświeca to, żeby zebrać wszelkie informacje i zrozumieć, co czyni je tak silnymi i co sprawia, że są rozciągliwe. Dlaczego niektóre są bardzo rozciągliwe, a niektóre nie są wcale. Czemu jedne są silniejsze, a inne słabsze” – wyjaśnia Lewis, profesor biologii na Uniwersytecie Stanowym w Utah i dyrektor Synthetic Spider Silk Lab, w wywiadzie dla Singularity Hub.

Pająki są z natury terytorialne i są kanibalami, więc każda próba uprawiania jedwabiu naturalnie zakończyłby się orgią przemocy pajęczaków. Zamiast tego Lewis i jego ekipa genetycznie zmodyfikowali różne organizmy, aby syntetycznie produkować nić przędną pająka. Włączając w to wprowadzenie kilku genów do kodu genetycznego kóz. Mleko kozie zawiera proteiny jedwabiu pająka.

Laboratorium produkuje również syntetyczny jedwab pająka w procesie fermentacji, który przypomina proces warzenia piwa. Wykorzystuje genetycznie zmodyfikowane bakterie do produkcji pożądanych białek jedwabiu pająka. Podobną technikę stosuje się od lat, aby stworzyć kluczowy enzym w produkcji sera. Ostatnio firmy wykorzystują bakterie transgeniczne do produkcji białek mięsnych i mlecznych, całkowicie omijając w tym procesie zwierzęta.
Ta sama technologia fermentacji jest wykorzystywana przez modny startup Bolt Threads, który zebrał ponad 200 milionów dolarów na modne włókna wykonane z syntetycznego jedwabiu pająka o nazwie Microsilk. (Firma opracowuje również drugi materiał, skórzany o nazwie Mylo, wykorzystujący podziemną strukturę korzeni grzybni znaną jako mycelium).

Laboratorium Lewisa wykorzystuje również transgeniczne jedwabniki do produkcji pewnego rodzaju materiału kompozytowego, na który składają się białka jedwabnika i nici pająka. „Mają one dość imponujące właściwości” – mówi Lewis. Naukowcy eksperymentują nawet z genetycznie zmodyfikowaną lucerną. Jedną z największych zalet jest to, że po wyekstrahowaniu białka nici pajęczej, pozostałe białko może być sprzedawane jako pasza dla zwierząt gospodarskich. „To znacznie obniżyłoby koszty produkcji białka z pajęczego jedwabiu” – dodaje Lewis.

Udoskonalanie sieci

Według Lewisa sama produkcja syntetycznej nici pajęczej nie jest problemem. Problem stanowi możliwość robienia tego w skali komercyjnej. Innym wyzwaniem jest „wyplatanie” syntetycznego jedwabiu pająka w produkty użytkowe, które mogłyby wykorzystywać jego wspaniałe właściwości.

„Możliwe jest wytwarzanie białek jedwabiu w sposób syntetyczny, ale bardzo trudno jest zmontować poszczególne białka w włókno lub inne formy materiałowe” – mówi Markus Buehler, kierownik Wydziału Inżynierii Lądowej i Środowiskowej w MIT. „Pająk posiada złożony kanał przędzalniczy, w którym białka jedwabiu są narażone na działanie określonych sił fizycznych i składników chemicznych, co w połączeniu generuje zespół cząsteczek tworzących włókna jedwabiu.”

Buehler jest współautorem artykułu w czasopiśmie Science Advances, w którym stwierdzono, że sznur nici pajęczej wykazuje różne właściwości w odpowiedzi na zmiany wilgotności, które mogą znaleźć zastosowanie w robotyce. W szczególności chodzi o jego nagłe kurczenie się i skręcanie powyżej pewnego poziomu wilgotności względnej. Tworzy to wystarczającą siłę, aby „być potencjalnie konkurencyjnym w stosunku do innych materiałów badanych jako urządzenia wykonawcze – urządzenia, które poruszają się by wykonywać pewne czynności, takie jak na przykład sterowanie zaworem”, czytamy w artykule.

Studiowanie pajęczego jedwabiu z bliska

Najnowsze badania na poziomie molekularnym pomagają naukowcom dowiedzieć się więcej na temat unikalnych właściwości jedwabiu pająka, co może im pomóc w opracowaniu materiałów o niezwykłych możliwościach.

Naukowcy z Uniwersytetu Stanowego w Arizonie wykorzystali m.in. rezonans magnetyczny do zobrazowania brzucha pająka czarnej wdowy. W efekcie stworzyli coś, co nazwali pierwszym molekularnym modelem procesu tworzenia białek jedwabiu, dającym wgląd w strukturę nanocząsteczek. Badania opublikowano w październiku ubiegłego roku w Proceedings of the National Academy of Sciences.

Również w 2018 roku, badanie przedstawione w Nature Communications opisało rodzaj molekularnego zacisku, który wiąże bloki budulcowe białek jedwabiu nazywane spidroinami. Naukowcy po raz pierwszy zaobserwowali, że zacisk składa się samoczynnie w dwuetapowym procesie, przyczyniając się do rozciągania i ściągania pajęczej nici.

Inny zespół umieścił jedwab pająka pustelnika brązowego pod mikroskopem sił atomowych odkrywając, że każde pasmo, tysiąc razy cieńsze od ludzkiego włosa, składa się z tysięcy nanostrandów. Pomaga to wyjaśnić nadzwyczajną wytrzymałość na rozciąganie, choć ważna jest też technika. Pustelnik brązowy wykorzystuje bowiem specjalną metodę pętli, aby wzmocnić jedwabne pasma.

Tworzenie pajęczego jedwabiu (Making Spider Silk Stick)

Buehler powiedział, że jego zespół stara się teraz opracować lepsze i szybsze metody projektowania białek jedwabiu z wykorzystaniem sztucznej inteligencji. „Te metody pozwalają nam tworzyć nowe wzory białek, które nie istnieją w sposób naturalny i które można zbadać w celu optymalizacji pewnych pożądanych właściwości, takich jak uruchamianie skrętne, siła, bioaktywność – na przykład inżynieria tkankowa – i inne”.

W międzyczasie laboratorium Lewisa odkryło metodę, która pozwala mu na rozpuszczanie białek jedwabiu pająka w roztworze zasadniczo opartym na wodzie, unikając kwasów lub innych toksycznych związków, które są normalnie stosowane w tym procesie. Pozwala to badaczom na opracowanie materiałów innych niż włókno, w tym klejów, które „są lepsze niż większość obecnych klejów komercyjnych”,” twierdzi Lewis, jak również powłok, które mogą być używane na przykład do tłumienia drgań. „Produkujemy żele do różnych rodzajów regeneracji tkanek, jak również do podawania leków i tak dalej”, dodał. „Rozszerzyliśmy więc profil użytkowania z czegoś poza włóknami do czegoś, co znacznie rozszerza portfolio możliwych rodzajów materiałów.”

W laboratorium Synthetic Spider Silk Lab pracuje się nawet stworzeniem materiału, którego używał Spider-Man w swojej wyrzutni sieci. Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych jest zainteresowana niedestrukcyjnymi sposobami unieszkodliwiania wrogich statków. Jest to możliwe między innymi przez zablokowanie ich śrub silnikowych. Projekt obejmuje również produkcję syntetycznych białek pewnego gatunku węgorza, który w przypadku zagrożenia wydziela galaretowaty szlam.

Lewis zaznacza jednak, że choć temat odtworzenia jedwabiu pająka jest z pewnością dobry na nagłówki, to praca jego laboratorium koncentruje się przede wszystkim na unikalnych właściwościach mechanicznych tego materiału. Mogą one bowiem prowadzić do postępu w medycynie i innych gałęziach przemysłu.

„Chcemy stworzyć pajęczy jedwab, ponieważ jest to unikalny materiał, a nie dlatego, że ma walory marketingowe” podkreśla Lewis.

Źródło: https://singularityhub.com