Вместо пластика и стали. Ученые впервые создали сверхпрочный биоматериал из пчелиного шелка
В то время как планета страдает от накопления пластиковых отходов, исследователи активно ищут в живой природе практичные материалы, которые были бы одновременно легкими, прочными и полностью биоразлагаемыми.
Долгое время основное внимание научного мира было приковано к удивительным свойствам паутины. Однако команда ученых из Университета штата Юта (США) решила исследовать другую, незаслуженно забытую альтернативу — пчелиный шелк. Молекулярный биолог Оран Вассерман и его коллеги стали первыми в мире, кому удалось создать тонкую прозрачную пленку из очищенных пчелиных белков.
Производство шелка в природе — гораздо более распространенное явление, чем полагает большинство людей. В ходе эволюции этот материал возникал независимо по меньшей мере 23 раза у различных групп насекомых, включая муравьев, ос и пчел.
«Общественные пчелы, такие как медоносные пчелы и шмели, производят шелк для укрепления сот и выстилания ячеек с расплодом. В то же время одиночные виды пчел, составляющие около 75% от общего числа видов, используют шелк для плетения защитных коконов», — объясняет доктор Вассерман.
В частности, синяя садовая пчела ( Osmia lignaria ) строит чрезвычайно прочные коконы, защищающие личинок от ос-паразитов. Несмотря на толщину всего в несколько микрон, этот природный щит успешно противостоит проколам острыми яйцекладами вредителей, регулирует влажность и обеспечивает оптимальный газообмен. По удельной прочности пчелиный шелк в пять раз превосходит сталь, однако, в отличие от паутины, его гораздо проще синтезировать в лабораторных условиях.
Чтобы изучить структуру кокона изнутри, биологи применили уникальную систему выращивания личинок в искусственных гнездах, напечатанных на 3D-принтере. Ученые перехватывали свежие шелковые нити прямо у ротового аппарата личинки на начальном этапе плетения. Этот деликатный процесс позволил получить чистые волокна, не повредив самих насекомых.
На основе полученных образцов генетики внедрили соответствующие гены пчел в микроорганизмы, которые начали самостоятельно вырабатывать белки-фиброины. Впоследствии из очищенной белковой массы ученые отлили первые прочные пленки.
Такие биоматериалы обладают огромным потенциалом для медицины и инженерии нового поколения:
Они могут стать основой для сверхпрочных хирургических нитей.
Они будут использоваться в качестве каркасов для выращивания искусственных тканей человека.
Они будут применяться в производстве экологичного высокотехнологичного текстиля.
В настоящее время исследователи экспериментируют с еще более удивительными технологиями, объединяя пчелиные белки со слизью миксин — древних бесчелюстных рыб. Поскольку оба материала имеют схожую молекулярную структуру, их смешивание позволит создавать уникальные гибридные ткани, сочетающие в себе эластичность и феноменальную прочность.
Результаты революционного исследования уже опубликованы в авторитетном научном журнале PLOS One .