В работе рассмотрено современное понимание паучьего шелка и процесса его сборки, а также применение материалов на основе шелка в различных областях.
Ключевые слова: паучий шелк, применение паучьего шелка, материалы из паучьего шелка.
Паучий шелк использовался человеком на протяжении нескольких тысяч лет. Этот материал обладает исключительными механическими свойствами благодаря сочетанию прочности и растяжимости, которые превосходят большинство искусственных волокон. Волокна паутинного шелка — это материал на основе белка, полученный в результате очень сложного иерархического процесса обработки в мягких условиях.
Основными составляющими шелка являются белки, называемые спидроинами, которые синтезируются в специализированных железах и имеют высокую молекулярную массу размером 200–350 кДа. Пауки, плетущие шары, могут производить до семи различных типов шелка, и их волокна состоят из одного или двух спидроинов, все из которых кодируются членами одного семейства генов. Спидроины демонстрируют модульную структуру, состоящую из длинной повторяющейся последовательности, которая окружена неповторяющимися консервативными N- и C-концевыми областями. Повторы образованы тандемно расположенными блоками последовательностей длиной 150–500 аминокислот, которые либо представляют собой базовые единицы повторения, либо могут быть разделены на более короткие ансамблевые повторы и повторяющиеся аминокислотные мотивы [1].
Считается, что свойства шелка драглайна в равной степени зависят как от молекулярной структуры двух его основных белковых компонентов, называемых основными ампулярными спидроинами 1 (MaSp1) и 2 (MaSp2), так и от иерархической организации структурных элементов. Оба основных ампуллатных спидроина богаты остатками глицина и аланина, которые образуют короткие GGX, GA и GPGXX (X, подмножество аминокислот), а также поли-А-мотивы.
Последовательности Poly-A и GA организуются в уложенные друг на друга антипараллельные β-гофрированные листы, которые образуют кристаллиты, которые, по существу, ориентированы случайным. Считается, что взаимодействия амида с амидом белковых остовов в β-листах обеспечивают сильную молекулярную когезию и, таким образом, придают прочность волокну. Эти кристаллические области встроены в аморфную матрицу, образованную обогащенными глицином мотивами (GGX в MaSp 1, GPGXX в MaSp 2), которые принимают 31-спиральные и β-витковые структуры типа II. Считается, что эти аморфные области придают волокну эластичность [2]
На основании морфологических данных сообщалось об иерархической организации волокна в отдельные структурные элементы, в частности, внутренняя сердцевина была отделена от внешнего слоя оболочки, и наблюдались фибриллы, идущие параллельно оси волокна. Однако подлинное существование и общее количество различных структурных элементов, а также их происхождение все еще остаются спорными вопросами. До тех пор, пока отсутствуют биохимические данные о таких структурах, модели, основанные на них, должны оставаться расплывчатыми [3]
Фибриллы — о нитевидные структуры цитоплазмы, выполняющие в клетке двигательную или скелетную функции.
Шелк драглайна (главной ампульной железы) пауков-птицеедов представляет собой самособирающийся биополимер с иерархической структурой, состоящий из повторяющихся единиц белковых нанокристаллов, организованных вдоль длинной оси внутри неупорядоченных белковых доменов (спиралей). Одним из наиболее эффективных способов модификации этого уникального белка является включение в его структуру различных наночастиц, что приводит к изменению тепловых, магнитных и механических свойств [4].
Очистка шелка паука от механических примесей (с помощью раствора карбоната натрия)
Волокна для образцов нативного шелка паука и паутины, модифицированной ферромагнетиком, очищали вручную от крупных загрязнений, разделяли на более тонкие нити и кипятили в водном растворе (10 мг/мл) 0,02 М Na 2 CO 3 при 90 °C в течение 90 минут для удаления липкого слоя, покрывающего поверхность паутинных волокон. Если шелка не много, то раствора карбоната натрия лучше взять в избытке (минимум 30–50 мл) Затем волокна осветляли в водном растворе (50 мг/мл) 1M HCl при ультразвуковой обработке в течение 4 часов с последующей сушкой при 60 °C в течение 12 часов.
Синтез солей магнетита
2.5 г FeCl 2 ∙ 4H 2 O и 5 г FeCl 3 ∙6H 2 O (молярное отношение Fe 2+ /Fe 3+ = 0.7) растворяются в 100 мл деионизированнной воды при постоянном перемешивании (500 об/мин). Затем с помощью шприца резко добавляется 10 мл водного раствора аммиака, также при постоянном перемешивании (500 об/мин) при комнатной температуре. С помощью магнита собирается образовавшийся осадок магнетита и промывается деионизированной водой до нейтрального рН. Промытый черный осадок смешивается со 100 мл деионизированной воды и подвергается ультразвуковой обработке (37 кГц, 110 Вт) при постоянном перемешивании (300 об/мин). Время ультразвуковой обработки составляет 2 часа. Для получения золей магнетита с отрицательным Дзета-потенциалом, в процессе промывки золь дополнительно обрабатывается раствором лимонной кислоты.
Модификация волокон паучьего шелка наночастицами магнетита
Предварительно очищенные волокна шелка паука вручную разделяли на более тонкие нити и добавляли к золю магнетита в соотношении 5 мг/мл и затем перемешивали при комнатной температуре в течение ночи. Все коллоидные системы были стабильны в течение всего эксперимента; коагуляции наночастиц не происходило. Полученные модифицированные образцы поочередно промывали пропанолом-2 и деионизированной водой по три раза. В каждом растворителе промывка осуществляется сначала под напором (это важно, так как если объем шелка большой, то при перемешивании шелк скручиваются и тщательно отмываются только нити на поверхности), затем при интенсивном перемешивании в избытке растворителя в течение 2–5 минут. Повторная промывка образцов в различных растворителях позволяет удалить лишние частицы, которые не провзаимодействовали с волокнами. Затем волокна разделяли на более тонкие нити и сушили при 50 °C в течение 12 часов.
Рис. 1. СЭМ-изображение фильеры
Рис. 2. СЭМ-изображение паутины (5μм)
Фильера — это орган для прядения шелка у паука или личинки насекомого.
В статье были рассмотрены вопросы, связанные со структурой натурального шелка паука, с их свойствами и применением. Во второй части работы описан процесс синтеза магнитоуправляемым волокон. Для того, чтобы сделать выводы о данном проекте были проведены исследования свойств синтезированного волокна с помощью аппаратов СЭМ, ЭДС, анализатор размеров частиц и дзета-потенциала для проверки их прочности, растяжимости и магнитоуправляемости. На основе полученных данных был выделен способ применения синтезированного волокна.
Мягкие роботизированные захваты нашли применение во многих отраслях промышленности. Благодаря магнитоуправляемости синтезированных волокон, из которых состоит роботизированный захват, этот прибор подходит для операций по сбору и размещению предметов в труднодоступных местах, т. к. может работать автономно. Синтезированные волокна, в отличии от большинства полимеров, способны выдерживать большую нагрузку, за счёт натуральных свойств паутины, что позволяет увеличить износостойкость приборов на их основе, а также даёт возможность использовать приборы на основе модифицированного волокна для работы не только с микро, но и макрообъектами.
Литература:
- Agnarsson, I., et al., PLoS ONE (2010) 5, e11234.
- Andersen, S. O., Comp Biochem Physiol (1970) 35, 705
- Liu X, Sun Q, Wang H, Zhang L, Wang JY (2005) Microspheres of corn protein, zein, for an ivermectin drug delivery system. Biomaterials
- Lucke M, Winter G, Engert J (2015) The effect of steam sterilization on recombinant spider silk particles. Int J Pharm
