Возможно, что пауки станут новыми законодателями моды
С древних времён текстильные нити стали наиболее популярным материалом для изготовления одежды. Например, футболки и джинсы сделаны из такой же хлопковой нити, какую использовали более ста лет назад. Но ещё текстильная промышленность использует огромное количество пластика для изготовления синтетической ткани. Около пяти миллионов тонн этих отходов попадают в окружающую среду не разлагаясь, попадая в почву и воду, в конечном итоге достигая наших источников питания — растений и животных.
Недавние исследования показали, что человек может неосознанно потреблять до 5 г пластика в неделю. Это соответствует весу кредитной карты. Около трети этого пластика (около 2 г) поступает непосредственно из текстильной промышленности. Некоторые крошечные частицы могут оставаться в нашем организме в течение длительного времени, выделяя содержащиеся в них химические вещества, которые могут изменить работу человеческого организма. Эта огромная экологическая проблема вызвана двумя основными факторами. Во-первых, люди, как правило, покупают слишком много одежды, даже если она им не нужна. Часто она создана не из экологически чистых материалов. Во-вторых, текстильная промышленность в настоящее время использует волокна, получаемые из нефтяной основы. Первую проблему можно решить, изменив образ жизни, в то время как вторая требует гораздо более глубоких преобразований. Чтобы избежать накопления пластика в окружающей среде, люди стремятся найти экологически чистые заменители искусственных материалов для производства тканей.
Для этого учёные решили почерпнуть вдохновение у природы, попытавшись научиться изготавливать волокна от одного из самых удивительных животных на Земле - пауков. Пауки прядут нити, которые состоит в основном из белковых молекул, используемые живыми существами для построения и восстановления своего тела. Они подобны «кирпичикам» жизни, содержащимся в мышцах, коже, волосах и многих других частях флоры и фауны. Пауки вырабатывают множество видов белков, которые хранят, как сокровища внутри своего тела в специализированных органах, называемых шёлковыми железами. У каждого паука есть несколько типов желёз (до семи), и каждая из них вырабатывает свой белок.
Из этих белков пауки прядут волокна, которые они используют для самых разных целей. Некоторые пауки используют волокна для создания хитроумных ловушек, которые могут поймать или поднять добычу, даже если добыча в тысячи раз больше самого паука. Они могут даже «летать», используя эти волокна: выпускают паутинку, которая ловит ветер и позволяет им скользить на сотни километров. Паутина обладает невероятными свойствами. Она прочна, как сталь, но при этом гораздо более эластична и в семь раз легче. А самое главное - она поддаётся биологическому разложению - то есть может естественным образом распадаться на простые и безвредные части, благополучно возвращаясь в окружающую среду.
Что делает эти волокна ещё более интересными (с текстильной точки зрения), так это то, что пауки производят свои нити при комнатной температуре, используя в основном воду. Паутина представляет собой уникальную возможность разработать экологически чистые волокна для одежды. Так почему же люди просто не разводят пауков и не собирают у них паутину. На самом деле, человечество уже пыталось это сделать, но потерпело неудачу.
Пауки-каннибалы (это означает, что они иногда поедают других пауков), а также производят очень небольшое количество нитей. Например, в мире есть только одна накидка, полностью изготовленная из «паучьего шёлка». Чтобы собрать достаточное количество паутины для её изготовления, 75 человек работали в течение 8 лет, собрав нить у более чем миллионов пауков! Очевидно, что это неэффективно. Поэтому, если люди хотят производить что-либо подобное для изготовления текстиля, то придётся делать это искусственно.
Создание искусственного материала, со свойствами похожими на паутину, оказалось сложной задачей. Учёным потребовалось много времени, чтобы разобраться в этом процессе. Поскольку природный материал состоит из белков, первым шагом в производстве является получение искусственных белков со схожими свойствами. Как же можно это сделать? Ответ кроется в генетике. У каждого организма есть ДНК, которая содержит гены, отвечающие за выработку белков. Оказывается, что, внедряя гены, стимулирующие клетки вырабатывать паутину в другие организмы, можно заставить их вырабатывать необходимый компонент для человечества.
Все организмы постоянно вырабатывают белки — фактически, любой, кто сейчас читает эти строки, тоже их производит внутри собственного организма. Но задача состоит не просто в том, чтобы заставить вырабатывать этот компонент, но и в том, чтобы заставить именно тот тип, который необходим. Но предварительно надо выделить и точно определить характеристики, чтобы в последующем можно было его использовать. Модификация сложных органических соединений для получения необходимых генов была недоступна до появления вычислительных мощностей огромных дата-центров, а также технологии секвенирования ДНК. В начале 2000-х годов группа учёных попыталась модифицировать козу таким образом, чтобы она вырабатывала белки со свойствами паутины в своём молоке. Хотя результаты были интересными, получаемые компоненты не производили достаточно белка, чтобы сделать даже такую простую вещь, как футболка.
Лучшим решением, как оказалось, явилось использование бактерий, крошечных организмов, которые живут практически везде. В частности, учёные приспособили для этого анаэробные бактерии под названием «Escherichia coli», которые обитают, как правило, в кишечнике (в том числе человека). Их оказалось гораздо легче модифицировать, чем организм козы, потому что они состоят всего из одной простой клетки. Первая успешная попытка получения «белков паутины» с использованием кишечной палочки была предпринята в 1997 году. Почти 25 лет спустя этот метод был значительно усовершенствован, и искусственные белки стало можно производить в очень больших количествах, достаточных для текстильной промышленности.
Сразу после получения самого белка, его можно начинать превращать в волокна, используя метод, называемый биомиметическим (собирательное название всех методик, которые люди заимствуют из живой природы). Белковая масса смешивается с водой и проталкивается через крошечную трубочку в специальную кислотную ванну. Когда белок соприкасаются с водой, он разворачивается (это легко можно представить мысленно, так как под микроскопом это похоже на кудрявую лапшу-спагетти, которая распрямляется). Эти элементы прилипают друг к другу, а потом кислота вытесняет воду, образуя плотную нить.
Когда разработчики протестировали волокна, полученные таким способом, то результаты их впечатлили! С точки зрения того, насколько они могут растягиваться перед разрывом, они оказались в два раза прочнее кевлара, одного из самых прочных искусственных волокон, используемых, например, в шлемах пилотов. А самое замечательное в этом технологическом процессе то, что производство волокна проходит при комнатной температуре, в то время как для изготовления кевлара обычно требуется температура порядка 100°C.
Но пока полностью радоваться рано - несмотря на свои удивительные свойства, волокна искусственного «паучьего шёлка» не вполне совершенны. Например, они не обладают естественными магнитными или электрическими свойствами, которые важны для «умного» текстиля — одежды, способной воспринимать сигналы нашего тела и реагировать на них. Магнитные волокна могут перемещаться или изменять форму, когда магнит находится поблизости. Это позволяет управлять ими, даже не прикасаясь. А разработка биоразлагаемых белковых искусственных волокон, которые были бы механически прочными, устойчивыми и магнитными, изменила бы правила игры для таких технологий, как мягкая робототехника или носимая электроника.
Первой идеей создания магнитного слоя было покрытие волокон магнитными материалами. Например, существует несколько металлических сплавов, состоящих из смеси двух или более металлов. Например, был опробован сплав стали с кобальтом, как с натуральной, так и с искусственной паутиной, но полученные волокна оказались недостаточно прочными, поэтому пришлось изменить стратегию. Появилась идея смешивать крошечные магнитные частицы непосредственно с белками перед прядением волокон. В данном случае, когда говорится «крошечные», то имеется в виду действительно мельчайшие частицы, каждая из которых имеет диаметр около 40 нанометров (это примерно в 2500 раз тоньше человеческого волоса)! Поскольку они маленькие, шарообразные и магнитные, учёные называют их магнитными наночастицами. Их невозможно увидеть даже в обычный микроскоп.
Магнитные наночастицы сначала попытались смешать непосредственно с протеинами, но смесь получилась слишком густой, и из неё было сложно изготавливать волокно. Те немногие волокна, которые удалось изготовить, были слабыми и хрупкими, что не годится для изготовления текстиля. Сами наночастицы оказалось нелегко смешивать с водой — они имеют тенденцию слипаться. Обычно такая проблема решается с помощью агрессивных химикатов, таких как сильные кислоты.
Но требовалось, чтобы процесс был экологичным и безопасным. И совместные усилия учёных из нескольких стран помогли создать наночастицы, которые смешиваются с водой при комнатной температуре. Для этого их покрыли веществом, обычно используемым в медицине для лечения отравлений тяжёлыми металлами. Это сработало на удивление хорошо!
С помощью этого покрытия получилось эффективно сплести волокна, которые обладают превосходными механическими и магнитными свойствами, что делает их идеальными кандидатами для создания «умных» тканей, которые могут трансформировать некоторые уникальные свойства под управлением магнитных импульсов, «чувствуют» окружающую среду или адаптируются к различным потребностям человека. Сейчас разработчики усердно работают над дальнейшим усовершенствованием этих волокон и надеются, что вскоре смогут создавать из них первые изделия.
Можно ожидать, что уникальные способности пауков станут блестящим источником вдохновения для производства новых прочных, лёгких, растяжимых, экологичных и красивых тканей. К тому же они изготавливаются при комнатной температуре с использованием только воды, а также легко поддаются утилизации за счёт биологического разложения. Устойчивые волокна вскоре позволят создавать одежду, способную воспринимать движение, следить за человеческим здоровьем или питать крошечные устройства электроэнергией из магнитного поля Земли.
