Учёные впервые произвели полноценные волокна паучьей паутины при помощи генетически модифицированных тутовых шелкопрядов. Характеристики полученного материала делают его потенциальной зелёной альтернативой различным синтетическим волокнам вроде нейлона, кевлара и пр.
В настоящий момент шёлк тутового шелкопряда – единственный тип полноценно коммерциализированных природных волокон, реализованный за счёт отточенных за тысячи лет техник разведения насекомого. По словам автора исследования Юнпена Ми из Университета Дунхуа, производимые тутовыми шелкопрядами волокна известны своей хрупкостью, что приходится компенсировать объёмами производства. В то же время паутина признана одним из самых прочных материалов в мире, однако из-за склонности пауков к каннибализму разводить их в сколь-нибудь значимых объёмах не представляется возможным. Потому учёные решили «научить» тутовых шелкопрядов производить паутину, не уступающую по параметрам паучьей, чтобы наконец добиться коммерчески выгодного масштабирования производства этого волокна. Попытки наладить этот процесс продолжались более чем 10 лет, и наконец китайским исследователям удалось показать многообещающие результаты.
Для генетической модификации тутовых шелкопрядов учёные выбрали донора в лице восточноазиатского паука-крестовика Araneus ventricosus. Специалисты выделили белок MiSp (minor ampullate silk protein), ответственный за производство паутины, и внедрили его в ДНК бабочек при помощи инструмента CRISPR-Cas9. В геноме насекомого им заменили ген, который кодирует базовый белок шёлка. Исследователям удалось добиться полной «локализации» генетической модификации. Это значит, что замена одного протеина никак не затронула другие аспекты природного производства волокон шёлка.
В итоге учёные вырастили колонию тутовых шелкопрядов, которые вместо обычного хрупкого шёлка синтезируют волокна паутины. Параметры полученного материала превзошли ожидания профессора Ми и его команды. Волокна демонстрируют высокую предельную прочность (1299 МПа) и ударную вязкость (319 МДж/м3). Более того, благодаря неожиданному сочетанию генов паука и тутового шелкопряда, насекомые стали производить не только очень прочную, но и пластичную паутину, хотя обычно наличие белка MiSp связывают с низкими показателями эластичности волокон. В ходе дальнейших исследований учёные планируют продолжить эксперименты с параметрами производимой шелкопрядами паутины за счёт внедрения различных природных и искусственных аминокислот.
По словам Юнпена, паутина – это стратегический ресурс с богатейшим потенциалом, который нуждается в исчерпывающем изучении. Механические характеристики паутины, полученной от тутовых шелкопрядов в ходе исследования учёных из Университета Дунхуа, раскрывают чрезвычайно многообещающие перспективы по коммерциализации материала в широком спектре отраслей от медицины до военных и аэрокосмических технологий. К примеру, подобные волокна можно было бы использовать в качестве хирургического шовного материала: если поставить производство тутовой паутины на поток, то насекомые могли бы удовлетворить глобальный спрос на шовные материалы для более чем 300 миллионов хирургических процедур, которые проводятся ежегодно. По расчётам исследователей, волокна полученного ими материала примерно в 6 раз прочнее волокон кевлара, а значит его можно было бы использовать и для производства брони.
