În diferite țări, companiile de biotehnologie au învățat cum să facă analogi artificiali ai rețelei, dar sunt încă departe de perfecțiunea unui polimer natural. Se poate realiza doar prin înțelegerea care dintre caracteristicile structurale fizice sau chimice sunt responsabile pentru proprietățile mecanice unice ale rețelei, iar succesul în rezolvarea unei probleme aplicate depinde direct de rezultatele cercetării fundamentale.

Din 2007, un grup de cercetători de la Departamentul de Bioinginerie al Facultății de Biologie s-a alăturat acestei lucrări. Universitatea de Stat din Moscova M.V. Lomonosov sub îndrumarea Doctorului în Științe Fizice și Matematice, Profesor K. V. Shaitan, iar rezultatele cercetărilor lor au deschis vălul asupra unora dintre secretele acestui polimer natural.

Dar, ce legătură are cu asta biotehnologiei? Poate că pânzele de păianjen pot fi obținute în mod natural, precum mătasea? La urma urmei, volumele de producție de fire de mătase din coconi, țesute de omizi de viermi de mătase, sunt foarte semnificative. Astfel de încercări au fost într-adevăr făcute, s-au inventat chiar diverse dispozitive pentru mulge păianjenulși înfășurarea atentă a firelor delicate pe o bobină care se rotește încet (Debabov, Bogush, 1999; Work și Emerson, 1982).

Au fost mai multe obstacole. În primul rând, certurile naturii păianjenului: atunci când sunt ținute împreună, aceste animale sunt în dușmănie și mănâncă unul pe altul... În al doilea rând, fiecare păianjen produce foarte puține pânze: se estimează că pentru a produce 500 g de fibre, vor fi necesari 27 de mii de păianjeni mărime medie. Este clar că productivitatea artropodelor este puțin probabil să satisfacă cerințele industriale. Există o singură cale de ieșire: să înveți să o primești artificial.

Anii 90 ai secolului trecut și începutul celui actual au fost marcați de un flux tot mai mare de studii asupra proprietăților și structurii web-ului. S-a manifestat un mare interes în Marea Britanie, Germania, SUA și Japonia. S-a constatat că pânza de păianjen are o natură proteică, asemănătoare cu mătasea. Pânzele de păianjen au mai multe tipuri de pânze de păianjen și diferite tipuri de pânze de păianjen:

• unul - pentru construcția de coconi, unde femelele depun ouă,
• celălalt este pentru parașutism, dacă trebuie să fugi,
• adeziv - pentru construirea unei părți de prindere a rețelei,
• cadru – pe care se suprapune.

Cel mai puternic web - cadru de sarmași a fost studiat mai bine decât alții. Este dominată de două proteine, numite spidroins(din engleză spider - spider). Sunt foarte lungi - fiecare conține 2,5-3 mii de reziduuri de aminoacizi.

Una dintre proteinele rețelei scheletului păianjen orb-web Nephila clavipes, răspândită în sudul Statelor Unite, cu o plasă de pescuit de până la un metru în diametru, a fost numită spidroin-1, un alt - spidroin-2... Primul este puțin mai scurt decât al doilea: greutatea moleculară a spidroin-1 este de 275 mii de unități de masă atomică, a spidroin-2 - 320.

La diferite specii de păianjeni, aceste proteine ​​diferă oarecum atât ca dimensiune - de la 180 la 720 de mii de amu, cât și în secvența de aminoacizi, dar toate au o caracteristică comună - repetarea secvențelor de aminoacizi aceleași sau aproape identice, inclusiv o secțiune de mai multe reziduuri la rând alanină (de obicei de la patru la nouă) și un loc cu repetare frecventă a reziduurilor de glicină.

Proprietățile fizico-chimice ale proteinelor sunt determinate de caracteristicile secvențelor de aminoacizi, iar spidroinele nu fac excepție. O proprietate unică a spidroinelor este alternarea segmentelor bogate în glicină și alanină. Acesta este cel care determină modul în care o moleculă este înfășurată în spațiu, cum sunt pliate mai multe molecule fibră-fibrilăși a ordonat ambalarea unor astfel de fibrile în nanofibrile pânză de păianjen și, în plus, la capetele moleculelor există grupuri speciale de câteva zeci de aminoacizi cu proprietăți hidrofile.

Multe lucruri au devenit clare datorită eforturilor considerabile depuse în studiul tuturor acestor niveluri de organizare spațială a proteinelor rețelei, deși nu este încă complet clar.

În primul rând, întrebarea principală: datorită cărora se realizează proprietăţile mecanice remarcabile ale benzii?

Studiile care utilizează analiza de difracție cu raze X (Warwicker, 1960; Glisovic și Salditt, 2007) au arătat că în secreția glandei arahnoide, firele din mai multe molecule de proteine ​​formează multe pachete dense de 2 × 5 × 7 nm. Se crede că acestea sunt zone alanine apropiate. Astfel de structuri sunt numite straturi β. Mulți cercetători ai mătăsii de păianjen cred că pânza de păianjen își datorează forța lor, iar fragmentele bogate în glicină se ondula în spirale și oferă elasticitate (Simmons et al., 1994; Parkhe et al., 1997; van Beek et. Al., 2002, etc.).

Pentru a înțelege mai bine procesele care au loc la nivel molecular, biologii de la Universitatea din Moscova au apelat la modelare pe calculator... Permite într-un experiment numeric, pe baza datelor despre structura moleculelor și pe energia interacțiunilor interatomice, să se determine proprietăți ale moleculelor precum extensibilitatea și rezistența la tracțiune, să se observe modul în care moleculele interacționează între ele - într-un experiment la scară completă acest lucru este extrem de dificil, dacă este deloc realizabil. Experimentele numerice au fost efectuate folosind tehnologia supercomputerelor.

„Folosind exemplul peptidelor din pânza de păianjen, am putut arăta că stabilitatea structurii secundare depinde nu numai de secvența de aminoacizi, ci și de mediul molecular”, spune autorul studiului. I. Orshansky... „Complexele mai multor peptide au o structură secundară mai stabilă atât pentru peptidele polialaninice, cât și pentru peptidele inter-alanine”.

Și totuși rămâne un mister: ceea ce face ca secretul lichid să se transforme într-un fir minunat și puternic – dur și insolubil?

Dacă ar fi posibil să se afle în toate detaliile, ar apărea o cheie care să reproducă acest proces și, prin urmare, să obțină artificial un fir cu aceleași calități. În plus, păianjenul o face rapid, ceea ce înseamnă că se poate obține o productivitate ridicată.

Acum se știe (Scheibel și colab., 2009) că în procesul de „maturare” a pânzei înainte de a părăsi glanda păianjen, soluția de spidroin suferă multe modificări: țesuturile de păianjen extrag apă din aceasta, ceea ce crește concentrația de proteine. , și se extrage din soluția înconjurătoare.ioni de sodiu și clor, dar conținutul de potasiu, ioni de fosfat și hidrogen crește, în timp ce reacția mediului scade de la 6,9 la 6,3 și devine ceva mai acidă.

Ca urmare a tuturor acestor procese și a altor procese, până acum neidentificate, proteina își schimbă rapid configurația. Și, ceea ce este cel mai remarcabil, acest lucru se întâmplă la temperatură și presiune normale și fără utilizarea de reactivi toxici, care, de exemplu, trebuie utilizați la producerea altor polimeri sintetici, în special, Kevlar, și fără deșeuri toxice. De asemenea, se știe că tensiunea firului emis îi afectează rezistența: dacă un fir proaspăt este întins cu forță, pânza devine mai subțire și mai puternică.

Până în prezent, s-au înregistrat unele progrese în producția de rețea artificială. La începutul anilor 90. Cercetătorii americani au clonat în celule Escherichia coli gene pentru spidroins care alcătuiesc coloana vertebrală a păianjenului Nephila clavipes. A devenit posibil, folosind tehnici de inginerie genetică, să se încorporeze fragmente de gene spidroinei în genomul altor organisme și să se izoleze proteina sintetizată din acestea. in vivo.

În astfel de scopuri, se folosește adesea aceeași bacterie Echerichia coli, dar această tehnologie nu este potrivită pentru spidroine: moleculele lor sunt prea mari pentru bacterii, așa că biotehnologii și-au îndreptat privirea către organisme mai mari.

V Germania a reușit să implanteze gene de țesut orb în genomul cartofilor și tutunului, iar randamentul de spidroin a fost de până la 2% din masa proteică totală a acestor plante.

V japonez Universitatea Shinsu a introdus o genă a spidroinei în genomul viermelui de mătase Bombyx mori, iar omizile lor produc acum 10% proteine ​​​​pânză de păianjen.

canadian Firma de biotehnologie Nexia a raportat introducerea cu succes a genei spidroinei, mai întâi la hamsteri și apoi la capre, astfel încât proteinele să poată fi izolate din laptele lor, deși în cantități foarte mici. Dar cel mai adesea, incl. în laboratoarele biotehnologice rusești, în aceste scopuri se folosesc drojdia - Pichia pastoris, care oxidează metanul, și cea de bere - Saccharomices cerevisiae.

V Al Rusiei lider recunoscut în producția de spidroine artificiale - Institutul de Stat de Cercetare în Genetică și Selecția Microorganismelor Industriale(Institutul de Stat de Cercetare în Genetică). Din 2001, un grup științific condus de un academician al Academiei Ruse de Științe Agricole, membru corespondent al Academiei Ruse de Științe, profesor V.G.Debabova dezvoltă metode pentru producerea de spidroine recombinante.

Biotehnologii au selectat mai multe locații tipice din secvența de nucleotide cunoscută a ADNc a păianjenului Nephila clavipes, au sintetizat genele corespunzătoare și le-au introdus în genomul drojdiei. Soluția preparată din proteina izolată este „filată” prin eliberarea acesteia prin cea mai subțire gaură în alcool etilic concentrat, unde se transformă în fibră.

Colegul lor din Institutul de Chimie Bioorganică RAS D. V. Klinov a dezvoltat o metodă de obținere a peliculelor de diferite grosimi dintr-o soluție prin electro-pulverizare. Prin ajustarea conținutului de proteine ​​din soluția inițială și a concentrației de alcool și prin modificarea cursului prelucrării ulterioare, care include întinderea în alcool, înmuierea în apă și uscare la cald, cercetătorii încearcă să găsească condițiile pentru a crea cele mai durabile și fibra elastica.

Lucrul cu rețeaua artificială nu are doar un sens aplicat, ci și științific fundamental.

„Această problemă se află la intersecția dintre biologie, ingineria proteinelor și știința materialelor”, spune K.V. Shaitan. „Înțelegerea modului în care secvența de aminoacizi afectează proprietățile nanofibrelor va deschide calea pentru crearea artificială de nanofibrile cu capacități specificate”.

Specialiști de la Departamentul de Bioinginerie, Facultatea de Biologie, Universitatea de Stat din Moscova, împreună cu colegii de la Institutul de Stat de Cercetare în Genetică și Institutul de Transplantologie și Organe Artificiale Ministerul Sănătății și Dezvoltării Sociale al Federației Ruse studiază proprietățile firului în diferite etape ale procesării sale pentru a dezvălui misterele structurii sale secundare, terțiare și cuaternare (Bougush și colab., 2008).

Examinând suprafața și fracturile unui filament artificial proaspăt, netratat - un fel de analog al unei soluții mature de filare în glanda unui păianjen - sub un microscop cu scanare electronică, ei au descoperit că filamentul este de fapt un tub gol din material spongios punctat cu multe sfere. găuri cu diametrul de 0,15 -1 microni, iar în grosimea materialului solid există globule proteice de aceeași dimensiune. Pe suprafața filamentelor se găsesc globule mai mici cu o dimensiune de 50-250 nm cu unele opțiuni de procesare.

Oamenii de știință au atras atenția asupra faptului că formațiuni de aceeași formă și dimensiune se găsesc și în soluția de filare a păianjenilor - poate aceasta este chiar micelii pe care se bazează ipoteza americană? Dar fragmentele de spidroine sintetizate la GosNIIgenetics sunt lipsite de fragmente terminale specifice caracteristice spidroinelor naturale! Aceasta înseamnă că metoda de împachetare a moleculelor în micelii este diferită de cea presupusă în ipotezele existente.

Dacă un fir din spidroin recombinant este întins înainte de a fi îndepărtat din alcool - aceasta este considerată o analogie cu învârtirea unei pânze naturale de către un păianjen - atunci structura sa se va schimba: apar fibrile subțiri cu un diametru de 200-900 nm, acestea poate fi văzut folosind un microscop cu forță atomică. Web-ul natural are și el microfibrile cu toate acestea, sunt de zece ori mai subțiri.

La o examinare mai atentă, fibrilele subțiri s-au dovedit a fi mai mult ca niște margele: îngroșările și zonele mai subțiri alternează în ele. La microscop electronic cu transmisie, care permite vizualizarea obiectului în transmisie și la o mărire mai mare, în interiorul microfibrilelor au fost găsite incluziuni cu diametrul de 10-15 nm, care sunt grupate în structuri longitudinale de până la 250 nm lungime. Există motive să credem că acestea sunt grupuri ale acelorași nanofibrile, care oferă proprietățile mecanice unice ale pânzelor naturale de păianjen.

E. Krasnova, candidat la științe biologice

E. Lozovskaya, candidat la științe fizice și matematice

Știință și viață // Ilustrații

Adezivul care acoperă firul spiralei de captare este distribuit uniform de-a lungul pânzei sub formă de picături de mărgele. Imaginea arată locul de îmbinare a două fragmente ale spiralei de captare la rază.

Știință și viață // Ilustrații

Știință și viață // Ilustrații

Știință și viață // Ilustrații

Știință și viață // Ilustrații

Etapele inițiale ale construirii unei rețele de capcane cu un păianjen încrucișat.

Spirala logaritmică descrie aproximativ forma firului spiralat auxiliar pe care păianjenul îl pune atunci când construiește plasa de captare în formă de roată.

Spirala lui Arhimede descrie forma unui fir de prindere lipicios.

Filamentele în zig-zag sunt una dintre caracteristicile capcanelor păianjenilor Argiope.

Regiunile cristaline ale fibrei de mătase au o structură pliată similară cu cea prezentată în figură. Lanțurile individuale sunt legate prin legături de hidrogen.

Tineri păianjen-păianjen, tocmai au ieșit din coconul păianjenului.

Păianjenii din familia Dinopidae spinosa țes o pânză de păianjen între picioare și apoi o aruncă peste prada lor.

Păianjenul încrucișat (Araneus diadematus) este cunoscut pentru capacitatea sa de a țese plase mari, în formă de roată.

Unele specii de păianjeni atașează și o „scara” lungă la capcana rotundă, ceea ce crește semnificativ eficiența vânătorii.

Știință și viață // Ilustrații

Așa arată la microscop tuburile de păianjen, din care ies firele de mătase de păianjen.

Poate că păianjenii nu sunt cele mai atractive creaturi, dar creația lor - pânza de păianjen - nu poate decât să trezească admirație. Amintiți-vă cum corectitudinea geometrică a celor mai fine fire care sclipesc la soare, întinse între ramurile unui tufiș sau printre iarba înaltă, este fascinantă pentru ochi.

Păianjenii sunt unul dintre cei mai vechi locuitori ai planetei noastre, locuind pe pământ în urmă cu mai bine de 200 de milioane de ani. În natură, există aproximativ 35 de mii de specii de păianjeni. Aceste creaturi cu opt picioare care trăiesc peste tot, sunt recunoscute întotdeauna și peste tot, în ciuda diferențelor de culoare și dimensiune. Dar cea mai importantă trăsătură distinctivă a lor este capacitatea de a produce mătase de păianjen, o fibră naturală de o rezistență de neegalat.

Păianjenii folosesc pânze pentru o varietate de scopuri. Ei fac coconi pentru ouă din el, construiesc adăposturi pentru iernat, îl folosesc ca „frânghie de siguranță” atunci când sară, țes plase complicate de capcană și înfășoară prada prinsă. Femela, gata de împerechere, produce un fir de păianjen marcat cu feromoni, astfel încât masculul, deplasându-se de-a lungul firului, își găsește cu ușurință pereche. Păianjenii tineri ai unor specii zboară departe de cuibul părintelui pe filamente lungi prinse de vânt.

Păianjenii se hrănesc în principal cu insecte. Dispozitivele de captare pe care le folosesc pentru a obține hrana vin în toate formele și dimensiunile. Unii păianjeni pur și simplu întind mai multe fire de semnal în apropierea adăpostului lor și, de îndată ce insecta atinge firul, se repezi spre el dintr-o ambuscadă. Alții - aruncă înainte un fir cu o picătură lipicioasă la capăt, ca un fel de lasso. Dar punctul culminant al activității de proiectare a păianjenilor este încă capcanele rotunde asemănătoare unei roți, situate orizontal sau vertical.

Pentru a construi o plasă de capcană asemănătoare unei roți, păianjenul încrucișat, un locuitor comun al pădurilor și grădinilor noastre, eliberează un fir destul de lung și puternic. Briza sau un curent ascendent de aer ridică firul în sus și, dacă locul pentru construcția pânzei este bine ales, acesta se agață de cea mai apropiată ramură sau de alt suport. Păianjenul se târăște de-a lungul ei pentru a asigura capătul, uneori punând un alt fir pentru putere. Apoi eliberează un fir de agățat liber și atașează o treime la mijlocul acestuia, astfel încât să se obțină o structură în formă de Y - primele trei raze din peste cincizeci. Când filamentele radiale și cadrul sunt gata, păianjenul se întoarce în centru și începe să facă o spirală auxiliară temporară - un fel de „schelă”. Spirala auxiliară ține structura împreună și servește drept cale pentru păianjen atunci când construiește o spirală de captare. Întregul cadru principal al plasei, inclusiv razele, este realizat din fir neadeziv, dar pentru spirala de prindere se folosește un fir dublu, acoperit cu adeziv.

În mod surprinzător, aceste două spirale au forme geometrice diferite. Spirala timpului are relativ puține ture, iar distanța dintre ele crește cu fiecare tură. Acest lucru se întâmplă deoarece, atunci când îl așează, păianjenul se mișcă în același unghi față de raze. Forma liniei întrerupte rezultată este apropiată de așa-numita spirală logaritmică.

Spirala capcană lipicioasă este construită pe un principiu diferit. Păianjenul începe de la margine și se deplasează spre centru, păstrând aceeași distanță între viraje, și obții o spirală lui Arhimede. În același timp, mușcă firele spiralei auxiliare.

Mătasea de păianjen este produsă de glande speciale situate în partea din spate a abdomenului păianjenului. Se știe că cel puțin șapte tipuri de glande de păianjen produc filamente diferite, dar niciuna dintre speciile cunoscute de păianjen nu are toate cele șapte tipuri simultan. Păianjenul are de obicei una până la patru perechi de aceste glande. Țeserea unei pânze nu este rapidă și durează aproximativ o jumătate de oră pentru a construi o plasă de capcană de dimensiuni medii. Pentru a trece la producerea unui alt tip de pânză (pentru spirala de captare), păianjenul are nevoie de un minut de răgaz. Păianjenii își refolosesc adesea pânzele, mâncând rămășițele unei plase de capcană deteriorate de ploaie, vânt sau insecte. Pânza de păianjen este digerată în corpul lor cu ajutorul unor enzime speciale.

Structura mătăsii de păianjen a fost perfect elaborată de-a lungul a sute de milioane de ani de evoluție. Acest material natural combină două proprietăți minunate - rezistența și elasticitatea. O rețea de pânze de păianjen este capabilă să oprească o insectă care zboară la viteză maximă. Firul din care păianjenii țes baza plasei lor de captare este mai subțire decât un păr uman, iar rezistența sa specifică (adică calculată pe unitatea de masă) la tracțiune este mai mare decât cea a oțelului. Dacă comparăm pânza de păianjen cu sârmă de oțel de același diametru, atunci acestea vor suporta aproximativ aceeași greutate. Dar mătasea de păianjen este de șase ori mai ușoară, ceea ce înseamnă de șase ori mai puternică.

La fel ca părul uman, lâna de oaie și mătasea coconilor omizii viermilor de mătase, pânza de păianjen este compusă în principal din proteine. În ceea ce privește compoziția aminoacizilor, proteinele pânzei de păianjen - spidroinele - sunt relativ apropiate de fibroine, proteinele care alcătuiesc mătasea produsă de omizile viermilor de mătase. Ambele conțin cantități neobișnuit de mari de aminoacizi alanină (25%) și glicină (aproximativ 40%). Zonele de molecule de proteine ​​bogate în alanină formează regiuni cristaline dens împachetate care oferă o rezistență ridicată, în timp ce acele zone în care există mai multă glicină sunt un material mai amorf care se poate întinde bine și, prin urmare, conferă elasticitate filamentului.

Cum se formează un astfel de fir? Nu există încă un răspuns complet și clar la această întrebare. Procesul de învârtire a unei pânze a fost studiat în cele mai multe detalii pe exemplul glandei ampuliforme a păianjenului care țese orb și Nephila clavipes. Glanda fiolei, care produce cea mai durabilă mătase, constă din trei diviziuni principale: un sac central, un canal curbat foarte lung și un tubul cu o ieșire. Din celulele de pe suprafața interioară a sacului, ies mici picături sferice care conțin două tipuri de molecule de proteină spidroină. Această soluție vâscoasă curge în coada sacului, unde alte celule secretă un alt tip de proteină - glicoproteine. Datorită glicoproteinelor, fibra rezultată capătă o structură de cristal lichid. Cristalele lichide sunt remarcabile prin faptul că, pe de o parte, au un grad ridicat de ordonare, iar pe de altă parte, păstrează fluiditatea. Pe măsură ce masa densă se deplasează către orificiul de ieșire, moleculele lungi de proteine ​​se orientează și se aliniază paralel una cu cealaltă în direcția axei fibrei de formare. În acest caz, între ele se formează legături de hidrogen intermoleculare.

Omenirea a copiat multe dintre descoperirile de design ale naturii, dar un proces atât de complex precum învârtirea unei pânze nu a fost încă reprodus. Oamenii de știință încearcă acum să rezolve această sarcină dificilă cu ajutorul metodelor biotehnologice. Primul pas a fost izolarea genelor responsabile de producerea proteinelor care alcătuiesc rețeaua. Aceste gene au fost introduse în celulele bacteriilor și ale drojdiei (vezi Science and Life, No. 2, 2001). Geneticienii canadieni au mers și mai departe - au crescut capre modificate genetic, al căror lapte conține proteine ​​dizolvate din pânză de păianjen. Dar problema nu este doar în obținerea proteinei de mătase de păianjen, este necesar să se simuleze procesul natural de filare. Oamenii de știință nu au învățat încă această lecție de la natură.

Oricine poate îndepărta cu ușurință pânzele de păianjen care atârnă între ramurile copacilor sau de pe tavanul din colțul îndepărtat al camerei. Dar puțini oameni știu că dacă țesătura ar avea un diametru de 1 mm, atunci ar putea rezista la o sarcină de aproximativ 200 kg. Sârmă de oțel de același diametru rezistă semnificativ mai puțin: 30–100 kg, în funcție de tipul de oțel. De ce pânza de păianjen are proprietăți atât de excepționale?

Unii păianjeni filă până la șapte tipuri de fire, fiecare având propriul său scop. Firele pot fi folosite nu numai pentru prinderea prăzii, ci și pentru construirea de coconi și parașutism (decolându-se în vânt, păianjenii pot scăpa dintr-o amenințare bruscă, iar păianjenii tineri se stabilesc în acest fel în noi teritorii). Fiecare tip de pânză de păianjen este produs de glande speciale.

Pânza folosită pentru prinderea prăzii constă din mai multe tipuri de fire (Fig. 1): wireframe, radială, capcană și auxiliară. Cel mai mare interes al oamenilor de știință este cauzat de firul cadrului: are atât rezistență ridicată, cât și elasticitate ridicată - această combinație de proprietăți este unică. Stresul maxim la ruperea firului carcasei păianjenului Araneus diadematus este 1,1–2,7. Pentru comparație: rezistența la tracțiune a oțelului este de 0,4–1,5 GPa, iar cea a unui păr uman este de 0,25 GPa. În același timp, firul cadrului este capabil să se întindă cu 30-35%, iar majoritatea metalelor rezistă la o deformare de cel mult 10-20%.

Imaginați-vă o insectă zburătoare care lovește o pânză întinsă. În acest caz, firul pânzei ar trebui întins, astfel încât energia cinetică a insectei zburătoare să se transforme în căldură. Dacă pânza ar stoca energia primită sub formă de energie elastică de deformare, atunci insecta ar sări de pe pânză, ca dintr-o trambulină. O proprietate importantă a rețelei este că emite o cantitate foarte mare de căldură în timpul întinderii rapide și contracției ulterioare: energia eliberată pe unitatea de volum este mai mare de 150 MJ / m 3 (oțelul emite 6 MJ / m 3). Acest lucru permite rețelei să disipeze eficient energia de impact și să nu se întindă prea mult atunci când victima o lovește. Pânzele de păianjen sau polimerii cu proprietăți similare ar putea fi materiale ideale pentru armura ușoară.

În medicina populară, există o astfel de rețetă: pe o rană sau abraziune, pentru a opri sângele, puteți atașa o pânză de păianjen, curățând-o cu grijă de insecte și crenguțe mici înfipte în ea. Se dovedește că pânza de păianjen are un efect hemostatic și accelerează vindecarea pielii deteriorate. Chirurgii și transplantologii l-ar putea folosi ca material pentru sutura, consolidarea implanturilor și chiar ca semifabricat pentru organe artificiale. Pânzele de păianjen pot îmbunătăți semnificativ proprietățile mecanice ale multor materiale utilizate în prezent în medicină.

Deci, web-ul este un material neobișnuit și foarte promițător. Care sunt mecanismele moleculare responsabile pentru proprietățile sale excepționale?

Suntem obișnuiți cu faptul că moleculele sunt obiecte extrem de mici. Cu toate acestea, nu este întotdeauna cazul: polimerii sunt larg răspândiți în jurul nostru, care au molecule lungi formate din unități identice sau similare. Toată lumea știe că informația genetică a unui organism viu este înregistrată în molecule lungi de ADN. Toată lumea ținea în mâini pungi de plastic făcute din molecule lungi de polietilenă împletite. Moleculele de polimer pot fi enorme.

De exemplu, masa unei molecule de ADN uman este de aproximativ 1,9 · 10 12 amu. (cu toate acestea, aceasta este de aproximativ o sută de miliarde de ori mai mare decât masa unei molecule de apă), lungimea fiecărei molecule este de câțiva centimetri, iar lungimea totală a tuturor moleculelor de ADN uman ajunge la 10 11 km.

Proteinele sunt cea mai importantă clasă de polimeri naturali; ele sunt formate din unități numite aminoacizi. Diferite proteine ​​îndeplinesc funcții extrem de diferite în organismele vii: controlează reacțiile chimice, sunt folosite ca material de construcție, pentru protecție etc.

Firul schelet al rețelei este format din două proteine, care sunt numite spidroins 1 și 2 (din engleză păianjen- Păianjen). Spidroinele sunt molecule lungi cu o masă de 120.000 până la 720.000 amu. Secvențele de aminoacizi spidroin pot diferi de la un păianjen la altul, dar toate spidroinele au caracteristici comune. Dacă desenezi mental o moleculă lungă de spidroină în linie dreaptă și te uiți la secvența de aminoacizi, se dovedește că aceasta constă în regiuni repetate care sunt similare între ele (Fig. 2). Într-o moleculă alternează două tipuri de situsuri: relativ hidrofile (cele care sunt favorabile energetic contactului cu moleculele de apă) și relativ hidrofobe (cele care evită contactul cu apa). La capetele fiecărei molecule există două regiuni hidrofile care nu se repetă, iar regiunile hidrofobe sunt compuse din multe repetări ale unui aminoacid numit alanină.

O moleculă lungă (de exemplu, proteină, ADN, polimer sintetic) poate fi considerată ca o frânghie încâlcită și mototolită. Nu este greu de întins, deoarece buclele din interiorul moleculei pot fi îndreptate, necesitând un efort relativ mic. Unii polimeri (de exemplu cauciucul) se pot întinde până la 500% din lungimea lor inițială. Deci, capacitatea pânzelor de păianjen (un material format din molecule lungi) de a se deforma mai mult decât metalele nu este surprinzătoare.

De unde puterea web-ului?

Pentru a înțelege acest lucru, este important să urmați procesul de formare a firului. În interiorul glandei păianjen, spidroinele se acumulează sub forma unei soluții concentrate. Când se formează filamentul, această soluție părăsește glanda printr-un canal îngust, acest lucru favorizează întinderea moleculelor și orientarea lor de-a lungul direcției de tragere, iar modificările chimice corespunzătoare fac ca moleculele să se lipească. Fragmente de molecule formate din alanine se lipesc împreună pentru a forma o structură ordonată asemănătoare cristalului (Fig. 3). În interiorul unei astfel de structuri, fragmentele sunt stivuite paralel unele cu altele și sunt legate prin legături de hidrogen. Aceste zone, lipite unele de altele, asigură rezistența fibrei. Mărimea tipică a unor astfel de regiuni moleculare strâns împachetate este de câțiva nanometri. Zonele hidrofile situate în jurul lor se dovedesc a fi pliate aleatoriu, ca niște frânghii mototolite, ele se pot îndrepta și, astfel, asigură întinderea pânzei.

Multe compozite, precum materialele plastice armate, sunt proiectate pe același principiu ca și firul schelet: într-o matrice relativ moale și mobilă, care permite deformarea, există mici zone dure care fac materialul rezistent. Deși oamenii de știință din materiale au lucrat cu astfel de sisteme de mult timp, compozitele create de om abia încep să se apropie de web în proprietățile lor.

În mod curios, când pânza de păianjen se udă, se micșorează foarte mult (acest fenomen se numește supracontracție). Acest lucru se datorează faptului că moleculele de apă pătrund în fibră și fac regiunile hidrofile dezordonate mai mobile. Dacă pânza este întinsă și lăsată de insecte, atunci într-o zi umedă sau ploioasă se contractă și, în același timp, își restabilește forma.

Remarcăm, de asemenea, o caracteristică interesantă a formării firelor. Păianjenul trage pânza cu propria greutate, dar pânza rezultată (diametrul filamentului de aproximativ 1–10 µm) îi permite de obicei să susțină o masă de șase ori mai mare decât masa păianjenului în sine. Dacă creșteți greutatea unui păianjen rotindu-l într-o centrifugă, acesta începe să secrete o pânză mai groasă și mai durabilă, dar mai puțin rigidă.

Când vine vorba de utilizarea web-ului, se pune întrebarea cum să-l obțineți în cantități industriale. În lume există instalații pentru „muls” păianjeni, care trag firele și le înfășoară pe bobine speciale. Cu toate acestea, această metodă este ineficientă: pentru a acumula 500 g de pânză, aveți nevoie de 27 de mii de păianjeni medii. Aici vine în ajutor bioingineria. Tehnologiile moderne fac posibilă introducerea genelor care codifică proteinele din pânza de păianjen în diferite organisme vii, de exemplu, bacterii sau drojdii. Aceste organisme modificate genetic devin sursa rețelei artificiale. Proteinele obținute prin inginerie genetică se numesc proteine ​​recombinante. Rețineți că, de obicei, spidroinele recombinante sunt mult mai mici decât cele naturale, dar structura moleculei (alternarea regiunilor hidrofile și hidrofobe) rămâne neschimbată.

Există încredere că pânzele de păianjen artificiale nu vor fi inferioare celor naturale în proprietățile lor și își vor găsi aplicarea practică ca material durabil și prietenos cu mediul. În Rusia, mai multe grupuri de cercetare din diverse institute sunt implicate în comun în cercetarea proprietăților web-ului. Producerea unei rețele recombinate se realizează la Institutul de Cercetare de Stat pentru Genetică și Selecția Microorganismelor Industriale, proprietățile fizice și chimice ale proteinelor sunt studiate la Departamentul de Bioinginerie, Facultatea de Biologie, Universitatea de Stat din Moscova. MV Lomonosov, produse din proteine ​​​​pânză de păianjen sunt formate la Institutul de Chimie Bioorganică al Academiei Ruse de Științe, aplicațiile lor medicale sunt realizate la Institutul de Transplantologie și Organe Artificiale.

O întrebare stupidă la prima vedere: desigur oțel! lacrimi de la o atingere ușoară a mâinii, iar podul de oțel poate rezista greutății a sute de mașini și camioane care trec peste el. Dar pânza de păianjen este formată din filamente incredibil de fine. Dacă sârma de oțel ar fi de aceeași grosime nesemnificativă, plasa de prindere a acestuia nici măcar nu ar putea suporta greutatea păianjenului său. Iar podul, construit din pânze de păianjen, nu s-ar fi prăbușit din cauza unui trafic mai animat de mașini – și în același timp ar fi mult mai ușor decât oțelul. Pânza de păianjen este un material unic care combină rezistența uimitoare cu elasticitatea. Omenirea nu a reușit încă să o reproducă.

Păianjenii-orb-web își țes pânzele de capcană conform unui plan strict definit. În primul rând, ei construiesc un cadru sub forma literei latine „Y” (1), apoi îl întăresc cu fire suplimentare și, în cele din urmă, țes o spirală lipicioasă pentru a prinde insectele.

Un fir de păianjen este format prin întărirea unui fluid vâscos care este eliberat din găurile din partea superioară a venelor de păianjen.

De ce nu se încurcă păianjenul în propria sa pânză?

Pânzele de păianjen sunt niște structuri uimitoare. Este nevoie de câteva ore pentru ca păianjenul din pânză-orb să țese o rețea spirală mare și aproape în fiecare zi această clădire este reparată și reînnoită. O persoană prinsă într-o rețea nu are aproape nicio șansă să iasă din ea. Iar păianjenii din genul Nephila, cunoscuți și sub denumirea de păianjeni de banane sau arbori giganți, țes pânze uriașe în care se pot încurca chiar și păsările mici. Țesută din fire elastice super-puternice mătăsoase, o astfel de plasă nu se rupe, ci doar se întinde sub greutatea victimei. În plus, filamentele păianjenului sunt acoperite cu un strat subțire de lichid lipicios, care ține ferm insecta în plasă. Cu cât victima luptă mai disperată pentru libertatea sa, cu atât se încurcă mai mult în rețea. Păianjenul care stă în centrul pânzei prinde vibrațiile pânzei cu picioarele, se târăște până la pradă și o ucide cu o mușcătură de chelicera. Proprietarul său nu se teme să se încurce în propria sa rețea: în timp ce construia o rețea, a pavat „cărări” în ea din fire nelipicioase. Doar aceste poteci sunt folosite de păianjen, care merg de-a lungul plasei de capcană.