В разных странах биотехнологические компании научились изготавливать искусственные аналоги паутины, но до совершенства природного полимера им еще далеко. Достичь его можно только разобравшись, какие из физических или химических особенностей строения отвечают за уникальные механические свойства паутины, и успех в решении прикладной задачи напрямую зависит от результатов фундаментальных исследований.

С 2007 г. к этой работе подключилась группа исследователей кафедры биоинженерии биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова под руководством доктора физико-математических наук, профессора К.В.Шайтана , и результаты их исследований приоткрыли завесу над некоторыми тайнами этого природного полимера.

Но, при чём здесь биотехнология ? Может быть, паутину можно получать естественным путем, подобно шелку? Ведь объемы производства шелковых нитей из коконов, сплетенных гусеницами тутового шелкопряда, весьма значительны. Такие попытки действительно предпринимали, были даже изобретены разные приборы для «доения» паука и аккуратного наматывания нежных нитей на медленно вращаемую катушку (Дебабов, Богуш, 1999; Work and Emerson, 1982).

Препятствий оказалось несколько. Во-первых, неуживчивость паучьей натуры: при совместном содержании эти животные враждуют и поедают друг друга . Во-вторых, каждый паук производит очень мало паутины: подсчитано, что для производства 500 г волокна потребуется 27 тыс. пауков среднего размера. Понятно, что продуктивность членистоногих вряд ли сможет удовлетворить промышленным запросам. Выход один: научиться получать ее искусственно.

90-е годы минувшего века и начало нынешнего ознаменовались нарастающим потоком исследований свойств и структуры паутины. Особенно большой интерес проявили в Великобритании, Германии, США и Японии. Было выяснено, что паутина имеет белковую природу, сходную с шелком. У пауков есть несколько типов паутинных желез и разные варианты паутины:

• одна — для строительства коконов, куда самки откладывают яйца,
• другая — для парашютирования, если приходится спасаться бегством,
• клейкая — для строительства ловчей части паутины,
• каркасная — на которую она накладывается.

Самая прочная паутина — каркасная , и она изучена лучше других. В ней преобладают два белка, получившие название спидроинов (от английского spider — паук). Они очень длинные — в состав каждого входит 2.5-3 тыс. аминокислотных остатков.

Один из белков каркасной паутины паука-кругопряда Nephila clavipes , широко распространенного на юге США, с ловчей сетью до метра в диаметре, получил название спидроин-1 , другой — спидроин-2 . Первый немного короче второго: молекулярный вес спидроина-1 — 275 тыс. атомных единиц массы, спидроина-2 — 320.

У разных видов пауков эти белки несколько отличаются как размером — от 180 до 720 тыс. а.е.м., так и последовательностью аминокислот, но у всех есть общая особенность — повторение одинаковых или почти одинаковых аминокислотных последовательностей, включающих участок из нескольких подряд остатков аланина (обычно их от четырех до девяти) и участок с частым повторением остатков глицина.

Физико-химические свойства белков определяются особенностями аминокислотных последовательностей, и спидроины — не исключение. Уникальное свойство спидроинов — чередование отрезков, богатых глицином и аланином. Оно-то и определяет, как молекула свернута в пространстве, как несколько молекул складываются в волокно-фибриллу и упорядоченную упаковку таких фибрилл в нанофибриллах паутинного волокна, а, кроме того, на концах молекул есть особые группы из нескольких десятков аминокислот с гидрофильными свойствами.

Благодаря значительным силам, брошенным на изучение всех этих уровней пространственной организации белков паутины, многое стало понятным, хотя полной ясности пока нет.

Первый, главный вопрос: за счет чего достигаются замечательные механические свойства паутины ?

Исследования с применением рентгеноструктурного анализа (Warwicker, 1960; Glisovic and Salditt, 2007) показали, что в секрете паутинной железы нити нескольких белковых молекул образуют множество плотных упаковок размером 2×5×7 нм. Полагают, что это — вплотную сближенные аланиновые участки. Такие структуры называют β-слоями. Многие исследователи паучьего шелка полагают, что своей прочностью паутина обязана именно им, а фрагменты, богатые глицином, свертываются в спирали и обеспечивают эластичность (Simmons et al., 1994; Parkhe et al., 1997, van Beek et. al, 2002 и др.).

Чтобы еще лучше понять процессы, происходящие на молекулярном уровне, биологи из Московского университета обратились к компьютерному моделированию . Оно позволяет в численном эксперименте на основе данных о строении молекул и об энергии межатомных взаимодействий определять такие свойства молекул, как растяжимость и пределы прочности на разрыв, наблюдать, как молекулы взаимодействуют между собой — в натурном эксперименте это крайне сложно, если вообще достижимо. Численные эксперименты проводились с использованием суперкомпьютерных технологий.

« На примере пептидов паутинного волокна нам удалось показать, что стабильность вторичной структуры зависит не только от аминокислотной последовательности, но и от молекулярного окружения, — утверждает автор исследования И.Оршанский . — Комплексы из нескольких пептидов обладают более устойчивой вторичной структурой как в случае полиаланиновых пептидов, так и в случае межаланиновых пептидов».

И все же остается загадкой: что заставляет жидкий секрет превращаться в чудесную прочную нить — твердую и нерастворимую ?

Если бы это удалось узнать во всех подробностях, появился бы ключ к воспроизведению этого процесса, а значит — к искусственному получению нити с такими же качествами. К тому же у паука это получается стремительно, а значит, можно достигнуть высокой производительности.

Теперь уже известно (Scheibel et al., 2009), что в процессе «созревания» паутины перед выходом из паучьей железы раствор спидроинов претерпевает множество изменений: ткани паука извлекают из него воду, из-за чего концентрация белков повышается, из окружающего их раствора извлекаются ионы натрия и хлора, зато возрастает содержание калия, фосфат-ионов и водорода, при этом реакция среды понижается от 6.9 до 6.3 и становится несколько более кислой.

В результате всех этих и других, неучтенных пока, процессов белок быстро меняет конфигурацию. И, что самое замечательное, это происходит при обычной температуре и давлении и без применения ядовитых реагентов, какие, к примеру, приходится применять при производстве других синтетических полимеров, в частности, кевлара, и без токсичных отходов. Известно также, что натяжение выделяемой нити влияет на ее прочность: если свежую нить растягивать с силой, то паутина получается тоньше и прочнее.

На сегодняшний день в получении искусственной паутины достигнуты некоторые успехи. Вначале 90-х гг. американские исследователи клонировали в клетках Escherichia coli гены спидроинов, составляющих нить основы паука Nephila clavipes. Появилась возможность, используя генно-инженерные методики, встраивать фрагменты генов спидроинов в геномы других организмов и выделять из них белок, синтезированный in vivo .

Для подобных целей часто используют все ту же бактерию Echerichia coli, но для спидроинов такая технология не подходит: для бактерий их молекулы слишком велики, поэтому биотехнологи обратили свои взоры к более крупным организмам.

В Германии сумели имплантировать гены кругопряда в геномы картофеля и табака, и выход спидроина составил до 2% всей белковой массы этих растений.

В Японском университете Шинсу вставили спидроиновый ген в геном тутового шелкопряда Bombyx mori, теперь их гусеницы производят волокно, на 10 % состоящее из белков паутины.

Канадская биотехнологическая фирма Nexia сообщила об успешном внедрении гена спидроина сначала хомячкам, а потом — козам, в результате белки можно выделять из их молока, хотя и в очень небольших количествах. Но чаще всего, в т.ч. в российских биотехнологических лабораториях, для этих целей используют дрожжи — Pichia pastoris, окисляющие метан, и пивные — Saccharomices cerevisiae.

В России признанный лидер по производству искусственных спидроинов — Государственный научно-исследовательский институт генетики и селекции промышленных микроорганизмов (ГосНИИгенетика). С 2001 г. научная группа под руководством академика Российской академии сельскохозяйственных наук, члена-корреспондента РАН профессора В.Г.Дебабова отрабатывает методы производства рекомбинантных спидроинов.

Из известной нуклеотидной последовательности к-ДНК паука-кругопряда Nephila clavipes биотехнологи выбрали несколько типичных участков, синтезировали соответствующие гены и встроили в геном дрожжей. Раствор, приготовленный из выделенного белка, «прядут», выпуская через тончайшее отверстие в концентрированный этиловый спирт, где он превращается в волокно.

Их коллега из Института биоорганической химии РАН Д.В.Клинов разработал способ получения из раствора пленок разной толщины путем электро-распыления. Регулируя содержание белка в исходном растворе и концентрацию спирта, и изменяя ход последующей обработки, которая включает вытягивание в спирте, размачивание в воде и горячую сушку, исследователи пытаются подобрать условия для создания наиболее прочного и эластичного волокна.

Работа с искусственной паутиной имеет не только прикладной, но и фундаментальный научный смысл.

« Эта проблема находится на стыке биологии, белковой инженерии и материаловедения, — считает профессор кафедры биоинженерии биофака МГУ К.В. Шайтан. — Понимание того, как аминокислотная последовательность влияет на свойства нановолокна, откроет путь к искусственному созданию нанофибрилл с заданными возможностями».

Специалисты с кафедры биоинженерии биологического факультета МГУ совместно с коллегами из ГосНИИгенетики и Института трансплантологии и искусственных органов Минздравсоцразвития РФ изучают свойства нити на разных этапах ее обработки, чтобы разгадать загадки ее вторичной, третичной и четвертичной структуры (Bougush et al., 2008).

Рассматривая поверхность и разломы свежей искусственной нити, еще не подвергнутой обработке, — своего рода аналога зрелого прядильного раствора в паутинной железе — под электронным сканирующим микроскопом они обнаружили, что нить на самом деле представляет собой полую трубку из губчатого материала, испещренного множеством сферических отверстий диаметром 0.15-1 мкм, а в толще твердого материала встречаются такой же величины белковые глобулы. Более мелкие глобулы размером 50-250 нм встречаются на поверхности нитей при некоторых вариантах обработки.

Ученые обратили внимание на то, что образования такой же формы и размера встречаются и в прядильном растворе пауков — может быть, это и есть те самые мицеллы , на которых строится гипотеза американцев? Но ведь фрагменты спидроинов, синтезируемые в ГосНИИгенетике, лишены специфических концевых фрагментов, характерных для природных спидроинов! Значит, способ упаковки молекул в мицеллы другой, чем предполагался в существующих гипотезах.

Если нить из рекомбинантного спидроина, прежде чем вынуть из спирта, растянуть — это рассматривается как аналогия прядения пауком естественной паутины — то структура ее изменится: появляются тонкие фибриллы диаметром 200-900 нм, их можно увидеть с помощью атомно-силового микроскопа. В природной паутине тоже есть микрофибриллы , правда, они в десять раз тоньше.

При более пристальном рассмотрении, тонкие фибриллы оказались больше похожими на бусы: в них чередуются утолщения и более тонкие участки. Под трансмиссионным электронным микроскопом, позволяющим рассмотреть объект на просвет и при большем увеличении, внутри микрофибрилл обнаружены включения диаметром 10-15 нм, которые группируются в продольные структуры длиной до 250 нм. Есть основания полагать, что это кластеры из тех самых нанофибрилл , которые обеспечивают уникальные механические свойства натуральной паутины.

Е. Краснова, кандидат биологических наук

Кандидат физико-математических наук Е. Лозовская

Наука и жизнь // Иллюстрации

Клейкое вещество, покрывающее нить ловчей спирали, равномерно распределяется по паутине в виде капелек-бусинок. На снимке показано место присоединения двух фрагментов ловчей спирали к радиусу.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Начальные этапы построения ловчей сети пауком-крестовиком.

Логарифмическая спираль приближенно описывает форму вспомогательной спиральной нити, которую прокладывает паук при строительстве колесовидной ловчей сети.

Спираль Архимеда описывает форму клейкой ловчей нити.

Зигзагообразные нити - одна из особенностей тенет пауков рода Argiope.

Кристаллические области шелкового волокна имеют складчатую структуру, наподобие той, что изображена на рисунке. Отдельные цепи соединены водородными связями.

Юные паучки-крестовики, только что выбравшиеся из паутинного кокона.

Пауки семейства Dinopidae spinosa плетут сетку из паутины между своих ног и затем набрасывают ее на жертву.

Паук-крестовик (Araneus diadematus) известен своим умением плести большие колесовидные ловчие сети.

Некоторые виды пауков пристраивают к круглой ловушке еще и длинную "лестницу", которая существенно повышает эффективность охоты.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Так выглядят под микроскопом паутинные трубочки, из которых выходят нити паутинного шелка.

Возможно, пауки - не самые привлекательные создания, но их творение - паутина - не может не вызывать восхищения. Вспомните, как завораживает взгляд геометрическая правильность переливающихся на солнце тончайших нитей, растянутых между ветвями кустарника или среди высокой травы.

Пауки - одни из древнейших обитателей нашей планеты, заселившие сушу более 200 миллионов лет назад. В природе насчитывается около 35 тысяч видов пауков. Эти восьминогие существа, обитающие повсеместно, узнаваемы всегда и всюду, несмотря на различия в окраске и размерах. Но самая главная их отличительная особенность - это способность производить паутинный шелк, непревзойденное по прочности натуральное волокно.

Пауки используют паутину для самых разных целей. Они делают из нее коконы для яиц, строят убежища для зимовки, используют в качестве "страховочного каната" при прыжках, плетут замысловатые ловчие сети и заворачивают пойманную добычу. Готовая к спариванию самка производит паутинную нить, помеченную феромонами, благодаря чему самец, двигаясь вдоль нити, легко находит партнершу. Молодые пауки некоторых видов улетают из родительского гнезда на длинных нитях, подхваченных ветром.

Питаются пауки в основном насекомыми. Ловчие приспособления, которыми они пользуются для добывания пищи, бывают самых разных форм и видов. Некоторые пауки просто протягивают несколько сигнальных нитей рядом со своим убежищем и, как только насекомое задевает за нить, бросаются на него из засады. Другие - выбрасывают нить с клейкой каплей на конце вперед, как своеобразный аркан. Но вершина конструкторской деятельности пауков - это все-таки круглые колесовидные тенета, расположенные горизонтально или вертикально.

Чтобы построить колесовидную ловчую сеть, паук-крестовик, обычный обитатель наших лесов и садов, выпускает довольно длинную прочную нить. Ветерок или восходящий поток воздуха поднимает нить вверх, и, если место для постройки паутины выбрано удачно, она цепляется за ближайшую ветку или другую опору. Паук проползает по ней, чтобы закрепить конец, иногда прокладывая для прочности еще одну нить. Затем он выпускает свободно свисающую нить и к ее середине прикрепляет третью, так что получается конструкция в форме буквы Y - первые три радиуса из более чем полусотни. Когда радиальные нити и рама готовы, паук возвращается в центр и начинает прокладывать временную вспомогательную спираль - что-то вроде "строительных лесов". Вспомогательная спираль скрепляет конструкцию и служит пауку дорожкой при построении ловчей спирали. Весь основной каркас сети, включая радиусы, делается из неклейкой нити, а вот для ловчей спирали используется двойная нить, покрытая клеящим веществом.

Удивительно то, что эти две спирали имеют разную геометрическую форму. Временная спираль имеет относительно мало витков, и расстояние между ними с каждым витком увеличивается. Происходит это потому, что, прокладывая ее, паук движется под одинаковым углом к радиусам. Форма получившейся ломаной линии близка к так называемой логарифмической спирали.

Липкая ловчая спираль строится по другому принципу. Паук начинает с края и продвигается к центру, сохраняя одинаковое расстояние между витками, и получается спираль Архимеда. При этом он обкусывает нити вспомогательной спирали.

Паутинный шелк производится особыми железами, расположенными в задней части брюшка паука. Известно по крайней мере семь типов паутинных желез, производящих разные нити, но ни у одного из известных видов пауков не встречаются все семь типов сразу. Обычно у паука от одной до четырех пар этих желез. Плетение паутины дело не быстрое, и на построение ловчей сети среднего размера уходит примерно полчаса. Чтобы переключиться на производство паутины другого вида (для ловчей спирали), пауку требуется минутная передышка. Пауки часто используют паутину повторно, съедая остатки ловчей сети, поврежденной дождем, ветром или насекомыми. Паутина переваривается в их организме с помощью специальных ферментов.

Структура паутинного шелка идеально отработана за сотни миллионов лет эволюции. Этот природный материал сочетает в себе два чудесных свойства - прочность и эластичность. Сеть из паутины способна остановить насекомое, летящее на полной скорости. Нить, из которой пауки плетут основу своей ловчей сети, тоньше человеческого волоса, а ее удельная (то есть пересчитанная на единицу массы) прочность на разрыв выше, чем у стали. Если сравнивать паутинную нить со стальной проволокой такого же диаметра, то они выдержат примерно одинаковый вес. Но паутинный шелк в шесть раз легче, а значит, в шесть раз прочнее.

Подобно человеческому волосу, шерсти овцы и шелку коконов гусеницы шелкопряда, паутина состоит в основном из белков. По аминокислотному составу белки паутины - спидроины - относительно близки к фиброинам, белкам, из которых состоит шелк, вырабатываемый гусеницами шелкопряда. И те и другие содержат необычно много аминокислот аланина (25%) и глицина (около 40%). Участки белковых молекул, богатые аланином, образуют плотно упакованные в складки кристаллические области, обеспечивающие высокую прочность, а те участки, где больше глицина, представляют собой более аморфный материал, способный хорошо растягиваться и тем самым придающий нити эластичность.

Как же образуется такая нить? На этот вопрос пока нет полного и ясного ответа. Наиболее подробно процесс прядения паутины был изучен на примере ампуловидной железы паука-кругопря да Nephila clavipes. Ампуловидная железа, производящая самый прочный шелк, состоит из трех основных отделов: центрального мешочка, очень длинного изогнутого канала и трубочки с выходным отверстием. Из клеток на внутренней поверхности мешочка выходят маленькие сферические капельки, содержащие молекулы белка спидроина двух типов. Этот вязкий раствор перетекает в хвостовую часть мешочка, где другие клетки выделяют белки другого типа - гликопротеины. Благодаря гликопротеинам образующееся волокно приобретает жидкокристаллическую структуру. Жидкие кристаллы замечательны тем, что, с одной стороны, они имеют высокую степень упорядоченности, а с другой - сохраняют текучесть. Пока густая масса движется к выходному отверстию, длинные молекулы белков ориентируются и выстраиваются параллельно друг другу в направлении оси формирующегося волокна. При этом между ними образуются межмолекулярные водородные связи.

Человечество скопировало многие из конструкторских находок природы, но такой сложный процесс, как прядение паутины, воспроизвести пока не удается. Эту непростую задачу ученые сейчас пытаются решить с помощью биотехнологических приемов. Первым шагом стало выделение генов, ответственных за производство белков, из которых состоит паутина. Эти гены были внедрены в клетки бактерий и дрожжей (см. "Наука и жизнь" № 2, 2001 г.). Канадские генетики пошли еще дальше - они вывели генетически модифицированных коз, молоко которых содержит растворенные белки паутины. Но проблема не только в том, чтобы получить белок паутинного шелка, необходимо смоделировать природный процесс прядения. А этот урок природы ученым еще предстоит выучить.

Каждый может легко смахнуть паутину, висящую между ветками дерева или под потолком в дальнем углу комнаты. Но мало кто знает, что если бы паутина имела диаметр 1 мм, то она могла бы выдержать груз массой приблизительно 200 кг. Стальная проволока того же диаметра выдерживает существенно меньше: 30–100 кг, в зависимости от типа стали. Почему же паутина обладает такими исключительными свойствами?

Некоторые пауки прядут до семи типов нитей, каждая из которых имеет собственное назначение. Нити могут использоваться не только для ловли добычи, но и для строительства коконов и парашютирования (взлетая на ветру, пауки могут уходить от внезапной угрозы, а молодые пауки таким способом расселяются на новые территории). Каждый из типов паутины производится специальными железами.

Паутина, используемая для ловли добычи, состоит из нескольких типов нитей (рис. 1): каркасной, радиальной, ловчей и вспомогательной. Наибольший интерес ученых вызывает каркасная нить: она имеет одновременно высокую прочность и высокую эластичность - именно это сочетание свойств является уникальным. Предельное напряжение на разрыв каркасной нити паука Araneus diadematus составляет 1,1–2,7. Для сравнения: предел прочности стали 0,4–1,5 ГПа, человеческого волоса - 0,25 ГПа. В то же время каркасная нить способна растягиваться на 30–35%, а большинство металлов выдерживают деформацию не более 10–20%.

Представим себе летящее насекомое, которое ударяется в натянутую паутину. При этом нить паутины должна растянуться так, чтобы кинетическая энергия летящего насекомого превратилась в тепло. Если бы паутина запасала полученную энергию в виде энергии упругой деформации, то насекомое отскочило бы от паутины, как от батута. Важное свойство паутины состоит в том, что она выделяет очень большое количество теплоты при быстром растяжении и последующем сокращении: энергия, выделяемая в единице объема, составляет более 150 МДж/м 3 (сталь выделяет - 6 МДж/м 3). Это позволяет паутине эффективно рассеивать энергию удара и не слишком сильно растягиваться, когда в нее попадает жертва. Паутина или полимеры, обладающие аналогичными свойствами, могли бы стать идеальными материалами для легких бронежилетов.

В народной медицине есть такой рецепт: на рану или ссадину, чтобы остановить кровь, можно приложить паутину, аккуратно очистив ее от застрявших в ней насекомых и мелких веточек. Оказывается, паутина обладает кровеостанавливающим действием и ускоряет заживление поврежденной кожи. Хирурги и трансплантологи могли бы использовать ее в качестве материала для наложения швов, укрепления имплантантов и даже как заготовки для искусственных органов. С помощью паутины можно существенно улучшить механические свойства множества материалов, которые в настоящее время применяются в медицине.

Итак, паутина - необычный и очень перспективный материал. Какие же молекулярные механизмы отвечают за ее исключительные свойства?

Мы привыкли к тому, что молекулы - чрезвычайно маленькие объекты. Однако это не всегда так: вокруг нас широко распространены полимеры, которые имеют длинные молекулы, состоящие из одинаковых или похожих друг на друга звеньев. Все знают, что генетическая информация живого организма записана в длинных молекулах ДНК. Все держали в руках полиэтиленовые пакеты, состоящие из длинных переплетенных молекул полиэтилена. Молекулы полимеров могут достигать огромных размеров.

Например, масса одной молекулы ДНК человека порядка 1,9·10 12 а.е.м. (однако это приблизительно в сто миллиардов раз больше, чем масса молекулы воды), длина каждой молекулы составляет несколько сантиметров, а общая длина всех молекул ДНК человека достигает 10 11 км.

Важнейшим классом природных полимеров являются белки, они состоят из звеньев, которые называются аминокислотами. Разные белки выполняют в живых организмах чрезвычайно разные функции: управляют химическими реакциями, используются в качестве строительного материала, для защиты и т. д.

Каркасная нить паутины состоит из двух белков, которые получили названия спидроинов 1 и 2 (от английского spider - паук). Спидроины - это длинные молекулы с массой от 120000 до 720000 а.е.м. У разных пауков аминокислотные последовательности спидроинов могут отличаться друг от друга, но все спидроины имеют общие черты. Если мысленно вытянуть длинную молекулу спидроина в прямую линию и посмотреть на последовательность аминокислот, то окажется, что она состоит из повторяющихся участков, похожих друг на друга (рис. 2). В молекуле чередуются два типа участков: относительно гидрофильные (те, которым энергетически выгодно контактировать с молекулами воды) и относительно гидрофобные (те, которые избегают контакта с водой). На концах каждой молекулы присутствуют два неповторяющихся гидрофильных участка, а гидрофобные участки состоят из множества повторов аминокислоты, называемой аланином.

Длинная молекула (например, белок, ДНК, синтетический полимер) может быть представлена как скомканная запутанная веревка. Растянуть ее не составляет труда, потому что петли внутри молекулы могут расправляться, требуя сравнительно небольшого усилия. Некоторые полимеры (например, резина) могут растягиваться на 500% своей начальной длины. Так что способность паутины (материала, состоящего из длинных молекул) деформироваться больше, чем металлы, не вызывает удивления.

Откуда же берется прочность паутины?

Чтобы понять это, важно проследить за процессом формирования нити. Внутри железы паука спидроины накапливаются в виде концентрированного раствора. Когда происходит формирование нити, этот раствор выходит из железы по узкому каналу, это способствует вытягиванию молекул и ориентации их вдоль направления вытяжки, а соответствующие химические изменения вызывают слипание молекул. Фрагменты молекул, состоящие из аланинов, соединяются вместе и образуют упорядоченную структуру, похожую на кристалл (рис. 3). Внутри такой структуры фрагменты уложены параллельно друг другу и сцеплены между собой водородными связями. Именно эти участки, сцепленные между собой, и обеспечивают прочность волокна. Типичный размер таких плотно упакованных участков молекул составляет несколько нанометров. Расположенные вокруг них гидрофильные участки оказываются неупорядоченно свернутыми, похожими на скомканные веревки, они могут расправляться и этим обеспечивать растяжение паутины.

Многие композиционные материалы, например армированные пластмассы, устроены по тому же принципу, что и каркасная нить: в относительно мягком и подвижном матриксе, который дает возможность деформации, находятся малые по размерам твердые области, которые делают материал прочным. Хотя материаловеды давно работают с подобными системами, созданные человеком композиты только начинают приближаться к паутине по своим свойствам.

Любопытно, что, когда паутина намокает, она сильно сокращается (это явление получило название суперконтракции). Это происходит потому, что молекулы воды проникают в волокно и делают неупорядоченные гидрофильные участки более подвижными. Если паутина растянулась и провисла от попадания насекомых, то во влажный или дождливый день она сокращается и при этом восстанавливает свою форму.

Отметим также интересную особенность формирования нити. Паук вытягивает паутину под действием собственного веса, но полученная паутина (диаметр нити приблизительно 1–10 мкм) обычно позволяет выдержать массу, в шесть раз большую массы самого паука. Если же увеличить вес паука, вращая его в центрифуге, он начинает выделять более толстую и более прочную, но менее жесткую паутину.

Когда заходит речь о применении паутины, возникает вопрос о том, как ее получать в промышленных количествах. В мире существуют установки для «доения» пауков, которые вытягивают нити и наматывают их на специальные катушки. Однако такой способ неэффективен: чтобы накопить 500 г паутины, необходимо 27 тысяч средних пауков. И тут на помощь исследователям приходит биоинженерия. Современные технологии позволяют внедрить гены, кодирующие белки паутины, в различные живые организмы, например в бактерии или дрожжи. Эти генетически модифицированные организмы становятся источниками искусственной паутины. Белки, полученные методами генной инженерии, называются рекомбинантными. Отметим, что обычно рекомбинантные спидроины гораздо меньше природных, но структура молекулы (чередование гидрофильных и гидрофобных участков) остается неизменной.

Есть уверенность, что искусственная паутина по своим свойствам не будет уступать природной и найдет свое практическое применение как прочный и экологически чистый материал. В России исследованиями свойств паутины совместно занимаются несколько научных групп из различных институтов. Получение рекомбинантной паутины осуществляют в Государственном научно-исследовательском институте генетики и селекции промышленных микроорганизмов, физические и химические свойства белков исследуют на кафедре биоинженерии биологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, изделия из белков паутины формируют в Институте биоорганической химии РАН, их медицинскими применениями занимаются в Институте трансплантологии и искусственных органов.

Глупый на первый взгляд вопрос: конечно же сталь! рвется от легкого прикосновения руки, а стальной мост выдерживает вес сотен проезжающих по нему легковых и грузовых автомобилей. Но паутина паука состоит из невероятно тонких нитей. Если бы такой же ничтожной толщины была стальная проволока, ловчая сеть из нее не смогла бы даже выдержать вес ее паука. А мост, сооруженный из паучьей паутины, не обрушился бы и от более оживленного потока автомобилей — и при этом он был бы гораздо легче стального. Паутина — уникальный материал, сочетающий удивительную прочность с эластичностью. Воспроизвести его человечеству пока не удалось.

Пауки-кругопряды плетут свои ловчие сети по строго определенному плану. Первым делом они сооружают рамку в виде латинской буквы «Y» (1), затем укрепляют ее дополнительными нитями и, наконец, сплетают липкую спираль для ловли насекомых.

Паутинная нить образуется в результате затвердевания вязкой жидкости, вы-деляющейся из отверстий на вершине паутинных бородавок.

Почему паук не запутывается в собственной паутине?

Ловчие сети пауков — удивительные сооружения. На плетение крупной спиралевидной сети у паука-кругопряда уходит несколько часов, и едва ли не каждый день эта постройка ремонтируется и обновляется. У , попавшейся в паутинную сеть, выбраться из нее почти нет никаких шансов. А пауки рода нефила (Nephila), известные еще как банановые или гигантские древесные пауки, плетут огромные сети, в которых могут запутаться даже мелкие птицы. Сотканная из эластичных сверхпрочных шелковистых нитей, такая сеть не рвется, а лишь растягивается под тяжестью жертвы. Кроме того, паутинные нити покрыты тонким слоем липкой жидкости, которая крепко удерживает насекомое в сети. Чем отчаянней борется жертва за свою свободу, тем сильнее она запутывается в паутине. Паук, сидящий в центре паутины, улавливает ногами вибрации сети, подползает к добыче и убивает ее укусом хелицер. Запутаться в собственной паутине ее хозяин не боится: сооружая сеть, он проложил в ней «дорожки» из неклейких нитей. Только этими дорожками и пользуется паук, бегая по своей ловчей сети.