Biofyzika Irina Iashina z University of Southern Denmark drží hedvábná vlákna produkovaná zlatým pavoukem. Kredit: Anders Boe/University of Southern Denmark
Mnoho vědců se snaží objevit úžasnou schopnost pavouků spřádat extrémně pevná, lehká a flexibilní hedvábná vlákna. Ve skutečnosti je pavoučí hedvábí pevnější než ocel a houževnatější než kevlar. Práci pavouků se však zatím nikomu nepodařilo zopakovat.
Pokud bychom dokázali vyvinout syntetický ekvivalent s těmito vlastnostmi, mohlo by to otevřít zcela nový svět možností: syntetické pavoučí hedvábí by mohlo nahradit materiály jako kevlar, polyester a uhlíková vlákna v průmyslových odvětvích a mohlo by být použito například k výrobě lehkých a flexibilní produkty. Neprůstřelné bundy.
Irina Iashina, postdoktorandka a biofyzička z katedry biochemie a molekulární biologie na University of Southern Denmark (SDU), se účastní tohoto závodu o odhalení receptu na superhedvábí. Pavoučí hedvábí ji fascinuje už od magisterského studia na SDU a v současnosti toto téma zkoumá na Massachusetts Institute of Technology v Bostonu s podporou Velome Foundation.
Biofyzička Irina Iashina z University of Southern Denmark studuje pavoučí hedvábí na počítači. Kredit: Anders Boe/University of Southern Denmark
V rámci svého výzkumu spolupracuje s odborným asistentem SDU a biofyzikem Jonathanem Brewerem, odborníkem na používání různých typů mikroskopů k pohledu na biologické struktury.
Společně nyní poprvé zkoumali vnitřek pavoučího hedvábí pomocí optického mikroskopu, aniž by je jakkoli rozřezávali nebo otevírali. Tato práce byla nyní publikována v časopisech Vědecké zprávy A Skenování je hotovo.
„Použili jsme několik pokročilých mikroskopických technik a také jsme vyvinuli nový typ optického mikroskopu, který nám umožňuje podívat se na kus vlákna a zjistit, co je uvnitř,“ vysvětluje Jonathan Brewer.
Pavouk zlaté koule vyrábí své hedvábí ze zadního konce. Kredit: Anders Boe/University of Southern Denmark
K dnešnímu dni bylo pavoučí hedvábí analyzováno pomocí různých technik, z nichž všechny poskytly nové poznatky. Tyto techniky však měly také nevýhody, jak zdůrazňuje Jonathan Brewer, protože často vyžadovaly rozříznutí hedvábné nitě (také známé jako vlákno), aby se získal průřez pro mikroskopii nebo zmrazení vzorků, což by mohlo změnit strukturu hedvábná vlákna.
„Chtěli jsme studovat čistá, neupravená vlákna, která nebyla nařezána, zmražena ani žádným způsobem zpracována,“ říká Irina Iashina.
Za tímto účelem výzkumné duo použilo méně invazivní techniky, jako je Coherent Anti-Stokes Raman Scattering, konfokální mikroskopie, fluorescenční fluorescenční konfokální mikroskopie s vysokým rozlišením, skenovací mikroskopie s heliovými ionty a sprej s ionty helia.
Různé studie odhalily, že vlákna pavoučího hedvábí se skládají z alespoň dvou vnějších vrstev lipidů, tj. lipidů. Za nimi, uvnitř fibril, existuje mnoho takzvaných fibril, které běží v přímém uspořádání a jsou těsně nabaleny vedle sebe (viz obrázek). Průměr fibril se pohybuje mezi 100 a 150, což je méně než limit, který lze měřit běžným optickým mikroskopem.
Ilustrace z Vědecké zprávy Článek: Schematické (ne v měřítku) znázornění navrhované struktury vláken pavoučího hedvábí, jak je uvedeno v této práci. (A) Boční pohled na vlákno, (B) Průřez vláknem. Nevodivá vnější vrstva bohatá na lipidy (zelená) o tloušťce 0,6 až 1 µm a dvě vnitřní vodivé vrstvy autofluorescenčního proteinu: jedna vykazující vyšší afinitu k FITC (modrá) a další rhodamin B vykazující vyšší afinitu k (oranžová). Vnitřní proteinové jádro se skládá z krystalických vláken, uspořádaných rovnoběžně s dlouhou osou vlákna, obklopených amorfními proteinovými oblastmi. Zdroj: Iachina/Brewer, University of Southern Denmark.
„Není to kroucené, což by si člověk mohl představit, takže nyní víme, že při výrobě umělého pavoučího hedvábí není třeba ho kroutit,“ říká Irina Iashina.
Iachina a Brewer pracují s hedvábnými vlákny ze zlatého pavouka Nephila madagascariensis, který produkuje dva různé typy hedvábí: jeden, nazývaný MAS (hlavní ampulární hedvábné vlákno), se používá ke stavbě pavoučí sítě a je to také hedvábí. ke kterému se pavouk používá k přilnutí. Irina Iashina to označuje za životodárnou mízu pavouka. Je velmi pevný a má průměr asi 10 mikrometrů.
Druhý, nazvaný MiS (micro ampullary silk fibres), slouží jako stavební pomůcka. Je pružnější a má obvykle průměr 5 mikrometrů.
Podle binární analýzy obsahuje hedvábí MAS fibrily o průměru asi 145 nm. Pokud jde o MiS, je to asi 116 nm. Každé vlákno se skládá z proteinů a podílí se na něm několik různých proteinů. Tyto proteiny produkuje pavouk, když vyrábí svá hedvábná vlákna.
Pochopení toho, jak se taková pevná vlákna vytvářejí, je důležité, ale výroba vláken je také náročná. Proto se výzkumníci v této oblasti často při výrobě svého hedvábí spoléhají na pavouky.
Místo toho se mohou uchýlit k výpočetním metodám, na čemž v současnosti pracuje Irina Iashina Massachusetts Institute of Technology: „Právě teď spouštím počítačovou simulaci toho, jak se proteiny mění na hedvábí. Cílem je samozřejmě naučit se vyrábět umělé pavoučí hedvábí, ale také mě zajímá přispět k lepšímu pochopení světa kolem nás .“
Odkazy: „Nanoskopické zobrazování primárního a sekundárního hedvábí ampulí z pavučiny Nephila Madagascariensis“ od Iriny Iachinové, Jaceka Wiotowského, Horsta Güntera Rubana, Fritze Vollratha a Jonathana R. Breuera, 24. dubna 2023, Vědecké zprávy.
doi: 10.1038/s41598-023-33839-z
„Héliová iontová mikroskopie a řezání pavoučího hedvábí“ od Iriny Iashiny, Jonathana R. Breuer, Horst Günter Ruban a Jacek Wojtowski, 22. května 2023, Skenování je hotovo.
doi: 10.1155/2023/2936788
Přátelský webový obhájce. Odborník na popkulturu. Bacon ninja. Tvrdý twitterový učenec.
