Содержание
Искусственная паутина догнала настоящую по механическим свойствам
Американские биохимики получили в лабораторных условиях нити, состоящие из рекордно длинных молекул спидроина — белка, из которого пауки плетут паутину. Использовав рекомбинантные ДНК и метод сплайсинга белков, ученые получили полипептид с молекулярной массой более 500 килодальтон — это почти в два раза больше, чем у аналогичных молекул, которые синтезируются в природных условиях. Из этих белков ученые получили нити, по своим механическим свойствам — прочности на разрыв, растяжимости и жесткости — не уступающие паутине, пишут ученые в Biomacromolecules.
Паутина — один из самых прочных естественных материалов: прочность ее нитей на разрыв может достигать 1,3 гигапаскаля (для сравнения, прочность некоторых марок стали не превышает нескольких сотен мегапаскалей). Основной материал паутины — это два вида белков: более прочный спидроин I и более упругий спидроин II. Воспроизвести получение нитей из этих белков в искусственных условиях практически невозможно: разводить пауков, в отличие от шелковичных червей, очень тяжело, а получение подобного материала в лабораторных условиях пока не позволяет добиться нужных механических характеристик.
Состав спидроина известен: белок состоит из большого количества фрагментов двух типов — участков, содержащих только аланин, и участков, преимущественно состоящих из глицина, но включающих в свой состав и другие аминокислоты. Однако при получении этих молекул в лаборатории они оказывались слишком короткими, поэтому по своим механическим свойствам были далеки от природного спидроина.
Чтобы увеличить длину молекул спидроина, синтезируемого искусственно, американские биохимики под руководством Фучжуна Чжана (Fuzhong Zhang) из Вашингтонского университета в Сент-Луисе предложили использовать рекомбинантные молекулы ДНК. В этих молекулах искусственным образом созданы повторяющиеся последовательности нуклеотидов, отвечающие за синтез правильных участков белка, и при трансляции синтезируется рекомбинантный белок увеличенной длины. Благодаря этому подходу уже удавалось синтезировать рекомбинантный спидроин, однако максимальная масса полученных таким молекул не превышала 285 килодальтон (для сравнения, молекулярная масса естественного спидроина составляет около 310 килодальтон).
Для увеличения молекулярной массы синтезированного белка ученые немного модифицировали эту методику: уже после трансляции рекомбинантного белка, его молекулярную массу увеличивали с помощью техники сплайсинга. При таком подходе из молекулы вырезается внутренний фрагмент — интеин, — а на место разрезов место присоединяются концевые белковые последовательности. Интеины могут соединяться между собой, поэтому, если одну молекулу белка «обрезать» с N-конца, а другую — с C-конца, а потом соединить их между собой, то молекулярную массу белка можно фактически увеличить вдвое.
С помощью предложенного подхода ученые синтезировали спидроин на основе ДНК, выделенного из пауков вида Nephila clavipes, массу которого удалось увеличить сразу до 556 килодальтон — в таком белке содержится 192 повторяющихся участка спидроина. Из этих белковых цепочек ученые получили нити диаметром в несколько микрометров, которые по своим механическим свойствам не уступили естественным волокнам в паутине.
Прочность нитей на разрыв составила 1,03 гигапаскаля, модуль упругости — 13,7 гигапаскаля, растяжимость — 18 процентов, а жесткость — 114 мегаджоулей на кубический метр. Кроме того, механические свойства полученных материалов оказались напрямую связаны с молекулярной массой белка — чем больше аминокислот включает в свой состав молекула, тем прочнее будет нить, состоящая из этих белков. Раньше эту закономерность удавалось показать только для относительно коротких белков.
По словам авторов исследования, полученные волокна уже сейчас можно использовать в приложениях, требующих использования особо прочных нитей микрометровой толщины. Кроме того, в будущем с помощью аналогичного подхода можно довольно просто получать в лабораторных условиях и другие типы природных материалов.
Стоит отметить, что для получения аналогичных сверхпрочных нитей не всегда используют только белки паутины и шелка. Например, недавно шведские химики синтезировали искусственный аналог нити паутины, который лишь на десять процентов состоит из паучьего белка, а оставшиеся 90 процентов составляют целлюлозные нановолокна, полученные из древесины.
Фиброин — белок, входящий в состав шелка — используют и для получения других типов композиционных материалов. Так, объединив его с силиконом, американские материаловеды создали материал, способный менять свои магнитные свойства при нагревании светом.
Александр Дубов
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Искусственная паутина в Украине
Паутина черная с 2 пауками на Хэллоуин, 100х150 см
На складе в г. Одесса
Доставка по Украине
49 грн
Купить
Интернет-магазин «В костюме»
Искусственная паутина на Хэллоуин зеленая — размер упаковки 11*16см, распределяете на свое усмотрение
На складе в г. Киев
Доставка по Украине
по 80 грн
от 2 продавцов
80 грн
Купить
Дождик
Паутина белая плюшевая 140 см. На Хэллоуин.
На складе в г. Киев
Доставка по Украине
195 грн
Купить
SETA Decor
Паутина на Хэлллоуин белая
Доставка из г.
Одесса
50 грн/ед.
Купить
Alexopt — оптово-розничные продажи
Украшения на хэллоуин паутина декоративная черная с паучками
Доставка из г. Одесса
50 грн/ед.
Купить
Alexopt — оптово-розничные продажи
Декор на хэллоуин паутина зеленая декоративная с паучками, украшения на Хэлллоуин
Доставка из г. Одесса
60 грн/ед.
Купить
Alexopt — оптово-розничные продажи
Декор на Хэллоуин паутина фиолетовая с паучками
Доставка из г. Одесса
60 — 62 грн
от 2 продавцов
60 грн/ед.
Купить
Alexopt — оптово-розничные продажи
Декоративная Паутина черная на Хэллоуин 12 кругов, 5 метров
На складе в г. Одесса
Доставка по Украине
по 380 грн
от 2 продавцов
380 грн
Купить
Интернет-магазин «В костюме»
Паутина белая с 2 пауками на Хэллоуин, 100х150 см
На складе в г. Одесса
Доставка по Украине
49 грн
Купить
Интернет-магазин «В костюме»
Паутина зеленая с пауками на Хэллоуин, 100х150 см
На складе в г.
Одесса
Доставка по Украине
59 грн
Купить
Интернет-магазин «В костюме»
Паутина фиолетовая с пауками на Хэллоуин, 100х150 см
На складе в г. Одесса
Доставка по Украине
59 грн
Купить
Интернет-магазин «В костюме»
Паутина на Хэллоуин белая — размер упаковки 16*11см (распределяете на свое усмотрение)
На складе в г. Киев
Доставка по Украине
по 80 грн
от 2 продавцов
80 грн
Купить
Дождик
Паутина для Хэллоуина фиолетовая — размер упаковки 11*16см, распределяете на свое усмотрение
На складе в г. Киев
Доставка по Украине
по 80 грн
от 2 продавцов
80 грн
Купить
Дождик
Паутина на Хэллоуин оранжевая — размер упаковки 16*11см (распределяете по-желанию)
На складе в г. Киев
Доставка по Украине
по 80 грн
от 2 продавцов
80 грн
Купить
Дождик
Паутина на Хэллоуин с пауками — размер универсальный, (распределяете на свое усмотрение)
На складе в г.
Киев
Доставка по Украине
по 105 грн
от 2 продавцов
105 грн
Купить
Дождик
Паутина чёрная декоративная
На складе в г. Киев
Доставка по Украине
45 грн
Купить
SETA Decor
Паутина оранжевая. Декор +2 паука в подарок
На складе в г. Днепр
Доставка по Украине
75 грн
Купить
Woopy Shop
Декор на Хэлллоуин, паутина белая с 2-мя паучками
Доставка из г. Одесса
51 грн/ед.
Купить
Al-market
Декор на Хэллоуин паутина черная с 2- мя паучками
Доставка из г. Одесса
51 грн/ед.
Купить
Al-market
Декор на Хэллоуин паутина зеленая с паучками
Доставка из г. Одесса
62 грн/ед.
Купить
Al-market
Корзина Паутина декор оранжевая пластик для сладостей на хэллоуин
На складе в г. Киев
Доставка по Украине
125 грн
Купить
SETA Decor
Паутина с пауком на Хэллоуин
На складе в г.
Киев
Доставка по Украине
50 грн
Купить
Золотой Лев
Паутина с пауком на Хэллоуин
На складе в г. Киев
Доставка по Украине
50 грн
Купить
Золотой Лев
Корзина Паутина декор черная пластик для сладостей на хэллоуин
На складе в г. Киев
Доставка по Украине
125 грн
Купить
SETA Decor
Паутина черная плюшевая диаметр 140 см. Декор на Хэллоуин.
На складе в г. Киев
Доставка по Украине
195 грн
Купить
SETA Decor
Паутина декоративная + 2 паучка, БЕЛОГО цвета
На складе
Доставка по Украине
40 грн
Купить
GoodHoliday интернет-магазин
Паутина декор.Yes! Fun Хэллоуин 2,5 м, велюр, черная
На складе
Доставка по Украине
240 — 274.9 грн
от 2 продавцов
240 грн
Купить
«BIG-Office» — Канцтовары, рюкзаки и товары для творчества!
Паутина декор.
Yes! Fun Хэллоуин 20 г, с двумя паучками, белая
На складе
Доставка по Украине
25 грн
Купить
«BIG-Office» — Канцтовары, рюкзаки и товары для творчества!
Паутина декор.Yes! Fun Хэллоуин 20 г, с двумя паучками, оранжевая
На складе
Доставка по Украине
25 грн
Купить
«BIG-Office» — Канцтовары, рюкзаки и товары для творчества!
Новый искусственный шелк паука: прочнее стали и на 98 процентов воды | Инновация
Шелк паука прочнее стали и прочнее кевлара, но сделать его в лаборатории ученым не удавалось десятилетиями.
Pixabay
Шелк скромного паука обладает весьма впечатляющими свойствами. Это один из самых прочных материалов в природе, прочнее стали и прочнее кевлара. Его можно растянуть в несколько раз, прежде чем он порвется. По этим причинам воспроизведение паучьего шелка в лаборатории было навязчивой идеей среди материаловедов на протяжении десятилетий.
Теперь исследователи из Кембриджского университета создали новый материал, который имитирует прочность, эластичность и способность поглощать энергию паучьего шелка. Этот материал дает возможность улучшать продукты от велосипедных шлемов до парашютов, пуленепробиваемых курток и крыльев самолетов. Возможно, его самое впечатляющее свойство? Это 98 процентов воды.
«Пауки — интересные модели, потому что они способны производить эти превосходные шелковые волокна при комнатной температуре, используя воду в качестве растворителя», — говорит Даршил Шах, инженер Кембриджского центра инноваций в области натуральных материалов. «Этот процесс пауков развивался на протяжении сотен миллионов лет, но нам пока не удалось его скопировать».
Изготовленные в лаборатории волокна созданы из материала, называемого гидрогелем, который на 98 процентов состоит из воды и на 2 процента из кремнезема и целлюлозы, последние два соединены вместе кукурбитурилами, молекулами, которые служат «наручниками».
Волокна диоксида кремния и целлюлозы можно вытягивать из гидрогеля. Примерно через 30 секунд вода испаряется, оставляя только прочную, эластичную нить.
Волокна очень прочные, хотя и не такие прочные, как самый прочный паутинный шелк, и, что важно, их можно изготовить при комнатной температуре без химических растворителей. Это означает, что, если их можно производить в больших масштабах, они имеют преимущество перед другими синтетическими волокнами, такими как нейлон, для прядения которых требуются чрезвычайно высокие температуры, что делает текстильное производство одной из самых грязных отраслей промышленности в мире. Искусственный шелк паука также полностью биоразлагаем. А поскольку он сделан из обычных, легкодоступных материалов — в основном из воды, диоксида кремния и целлюлозы — он может быть доступным по цене.
Поскольку материал может поглощать так много энергии, его потенциально можно использовать в качестве защитной ткани.
«Паукам нужна эта поглощающая способность, потому что, когда птица или муха попадает в их паутину, они должны иметь возможность поглощать ее, иначе она порвется», — говорит Шах.
«Так что такие вещи, как защита от осколков или другая защитная военная одежда, были бы захватывающим применением».
Другие потенциальные области применения включают парусную ткань, ткань для парашютов, материалы для воздушных шаров и велосипедные или скейтбордные шлемы. Этот материал является биосовместимым, что означает, что его можно использовать внутри человеческого тела, например, для наложения швов.
Волокна также можно модифицировать несколькими интересными способами, говорит Шах. Замена целлюлозы различными полимерами может превратить шелк в совершенно другой материал. Базовый метод можно воспроизвести для производства низкотемпературных версий многих тканей, не требующих использования химических растворителей.
«Это общий метод сделать все волокна, сделать любую форму [искусственного] волокна «зеленой», — говорит Шах.
Шах и его команда далеко не единственные ученые, работающие над созданием искусственного паучьего шелка. В отличие от шелковичных червей, которых можно выращивать ради их шелка, пауки — каннибалы, которые не потерпят тесноты, необходимой для ведения сельского хозяйства, поэтому обращение в лабораторию — единственный способ получить значительное количество материала.
Каждые несколько лет появляются заголовки о новых достижениях в этом процессе. Немецкая команда модифицировала бактерии E-coli для производства молекул паучьего шелка. Ученые из Университета штата Юта вывели генетически модифицированных «коз-пауков» для производства белков шелка в их молоке. Армия США тестирует «драконий шелк», полученный из модифицированных шелковичных червей, для использования в пуленепробиваемых жилетах. Ранее в этом году исследователи из Каролинского института в Швеции опубликовали статью о новом методе использования бактерий для производства белков шелка пауков потенциально устойчивым и масштабируемым способом. А этой весной калифорнийский стартап Bolt Threads представил биоинженерные галстуки из паутины на фестивале SXSW. Их продукт производится в процессе дрожжевого брожения, в результате которого получаются протеины шелка, которые затем проходят процесс экструзии, превращаясь в волокна. Это достаточно многообещающе, чтобы заключить партнерство с производителем товаров для активного отдыха Patagonia.
Но, как отмечается в статье Wired от 2015 года, «до сих пор каждая группа, от исследователей до гигантских корпораций, которая пыталась произвести достаточное количество материала, чтобы вывести его на массовый рынок, потерпела неудачу».
Перед Шахом и его командой стоит задача.
«В настоящее время мы производим несколько десятков миллиграммов этих материалов, а затем вытягиваем из них волокна», — говорит он. «Но мы хотим попытаться сделать это в гораздо большем масштабе».
Для этого команда работает над роботизированным устройством, которое будет тянуть и скручивать волокна быстрее и в большем масштабе, чем раньше. По словам Шах, они добились определенного успеха и продолжают изучать этот процесс.
«Мы все еще находимся на ранней стадии исследований, — говорит он.
Выводы группы были недавно опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences .
Рекомендуемые видео
Искусственная паутина получает ионный импульс – Physics World
Искусственная ионная паутина.
Авторы и права: Lee et al., Sci. Робот. 5, eaaz5405 (2020)
Исследователи из Южной Кореи создали искусственный материал с такими же эластичными, адгезионными, самоочищающимися, чувствительными и растяжимыми свойствами, что и натуральный шелк паука. Синтетическое полотно, изготовленное из полутвердого эластичного геля, работает с использованием электростатики и может найти применение в искусственных мышцах, захватах и самоочищающихся устройствах для лазания по стенам.
Прочность паучьего шелка на растяжение в пять раз выше, чем у стали, а его эластичные нити имеют клейкое покрытие, которое позволяет паукам захватывать и улавливать добычу в своих сетях. Однако у этого клейкого покрытия есть и обратная сторона: оно притягивает загрязняющие вещества из окружающей среды, что снижает эффективность захвата полотна.
Чтобы решить эту проблему, пауки разработали несколько стратегий уменьшения и удаления грязи и мусора из своих сетей. Одна из таких стратегий состоит в том, чтобы создать минималистскую веб-структуру, а затем ждать, пока добыча не полетит или не заползет в нее.
Пока его жертва борется с липкими нитями, паук чувствует вибрацию паутины, начинает действовать и оборачивает еще слабо связанную добычу дополнительными нитями. Это ловит добычу раз и навсегда, без необходимости в паутине с большой площадью поверхности, к которой загрязняющие вещества могли бы легче прилипать. Другая стратегия заключается в том, что пауки тянут свою паутину, а затем быстро выпускают ее, заставляя загрязняющие вещества отскакивать, как катапульта, когда паутина вибрирует.
Имитация действий и ощущений пауков
Ученые давно увлечены биологией пауков, и многие пытались имитировать либо действия и ощущения пауков, либо структурные, самоочищающиеся свойства их шелка. Однако воспроизведение поведения паутины в лаборатории — непростая задача, и предыдущие попытки сделать это в основном были сосредоточены на воссоздании того, как паук плетет свою естественную паутину.
Команда под руководством Чжон-Юн Сун и Хо-Ён Ким из Сеульского национального университета выбрала другой подход.
Их метод заключается в приложении статического электричества к нитевидным нитям ионопроводящего и растяжимого органогеля, представляющего собой полутвердый материал, состоящий из гелеобразующих молекул в органическом растворителе (в данном случае ковалентно сшитых полиакриламидных цепей в этиленгликоле с растворенными хлорид лития). Затем нити этого органогеля инкапсулируют силиконовым каучуком и покрывают гидрофобным перфторированным соединением для уменьшения их поверхностной энергии (и, следовательно, поверхностного натяжения).
Исследователи, которые сообщают о своей работе в Science Robotics , сплели эти композитные волокна в структуры, напоминающие натуральную паутину. Они обнаружили, что могут приклеивать нити паутины к целевым объектам, сделанным из металлов, керамики и полимеров, благодаря статическому электрическому полю, возникающему между соседними нитями паутины при приложении высокого напряжения.
Вибрации помогают устранить загрязнители
Сан, Ким и их коллеги обнаружили, что эти целевые объекты генерируют электрический отклик в ионно-проводящих волокнах, как только волокно касается их, инициируя процесс электростатического прилипания.
Они также обнаружили, что могут заставить волокна вибрировать, применяя электрическое поле между парами нитей. Эти вибрации в сочетании с гидрофобным покрытием волокон помогают устранить загрязнения, которые в противном случае уменьшили бы силу сцепления. Действительно, после самоочищения искусственные сети восстановили почти 99% от их первоначальной адгезионной силы.
В соответствующей статье Джонатан Росситер, робототехник из Бристольского университета, Великобритания, и руководитель группы Soft Robotics в Бристольской лаборатории робототехники, отмечает, что гибкие и растягивающиеся материалы с ионной проводимостью могут использоваться в качестве заменителей обычных проводников. в будущем электроактивные искусственные мышцы. Росситер, не участвовавший в работе сеульской команды, предполагает, что такие конструкции могли бы пригодиться при разработке мягких роботизированных носимых вспомогательных устройств для пожилых людей или людей с ограниченными возможностями.
Подробнее
Паук катапультируется к добыче, используя энергию, хранящуюся в его паутине
Ведущий автор исследования Янгхун Ли соглашается, добавляя, что подход команды может также применяться к «существующим компонентам робототехники, основанным на электростатике, таким как электростатические захваты, приводы из диэлектрического эластомера и емкостные тактильные датчики».