Що таке бджолиний шовк?
У пошуках легких, міцних і екологічно чистих матеріалів наука все частіше звертається до природи. Дослідження павутиння тривають десятиліттями, але поруч з ним існує інший, майже невідомий широкому загалу матеріал — шовк бджіл. Більшість людей навіть не підозрює, що бджоли взагалі здатні виробляти шовк. Проте цей природний продукт має унікальні властивості, які можуть знайти застосування у медицині, технічних текстилях та багатьох інших галузях.
Зміст
Шовк у світі комах
«Виробництво шовку в природі набагато поширеніше, ніж думає більшість людей, — пояснює молекулярний біолог Оран Вассерман, який захистив докторську дисертацію в лабораторії павутиння Джастіна Джонса при Університеті штату Юта. — Шовк еволюціонував незалежно багато разів, принаймні з 23 окремих джерел тільки серед комах» 1. До цих комах належать мурахи, бджоли та оси.
Для бджіл шовк слугує засобом захисту. Соціальні бджоли, такі як медоносні бджоли та джмелі, виробляють шовк, щоб облицювати розплідні комірки своїх колоній. А ось солітарні (самотні) бджоли, які становлять близько 75% усіх видів бджіл, використовують шовк для спорудження коконів, що захищають личинок від стресових факторів навколишнього середовища 1.
На відміну від тутового шовкопряда, який пряде свій кокон з однієї безперервної нитки, личинка бджоли підходить до процесу більш архітектурно. Вона закріплює шовк на стінці гніздової комірки, натягує нитку рухами голови та закріплює її в новому місці, повторюючи процес, доки повністю не закриється. Отриманий кокон має лише кілька структурних шарів, але вони працюють разом, щоб забезпечити газообмін, механічний захист, утримання вологи та стійкість до паразитів.
Унікальні властивості бджолиного шовку
Дослідження властивостей різних бджолиних шовків тривають вже близько 20 років. Ще в 2007 році австралійські вчені з CSIRO на чолі з доктором Тарою Сазерленд опублікували роботу, в якій показали, що шовк бджіл і мурашок має іншу молекулярну структуру, ніж великобілковий листковий шовк метеликів і павуків. Він складається з так званих згорнутих спіралей — структури, коли кілька спіралей обвивають одна одну, що робить шовк легким і надзвичайно міцним 2.
Команда Вассермана зосередилася на шовку самотньої бджоли — синьої садової бджоли (Osmia lignaria), важливого запилювача фруктових садів. Її коричневі видовжені кокони мають характерну соскоподібну кришечку на одному кінці. Ці кокони — єдина лінія захисту личинки від таких загроз, як паразитоїдні оси, які намагаються проколоти кокон, щоб відкласти всередину яйця.
Як виявилося, бджолиний шовк не тільки надзвичайно стійкий до проколів (що лабораторія Джонса активно вивчає за допомогою нового протоколу), але також гнучкий, антимікробний і «дихаючий». Це саме та комбінація властивостей, яка потрібна для матеріалів нового покоління в біомедицині, таких як хірургічні нитки, каркаси для інженерії тканин та технічні текстилі.
Синтез у лабораторії
Головною проблемою у використанні бджолиного шовку було відтворення матеріалу поза організмом бджоли. Спочатку команда намагалася виділити окремі волокна шовку з готових коконів, але процес був трудомістким і призводив до безлічі обривів. Тому дослідники звернулися до джерела.
Вони розробили протокол, який дозволяє ізолювати волокна шовку прямо з рота личинки. Для цього використовується система вирощування, надрукована на 3D-принтері, яка імітує природну гніздову порожнину бджіл. Команда щодня спостерігає за кожною личинкою та втручається в той самий момент, коли вона починає прясти — коли перші нитки ще вільні і доступні. Волокна потім ізолюють і монтують для механічних випробувань. Один із найперспективніших аспектів протоколу полягає в тому, що личинки продовжують формувати свої кокони, що свідчить про мінімальну інвазивність методу.
З ізольованими нитками команда змогла відтворити шовк з нуля, використовуючи методи молекулярної біології для вставки цільових генів у генетично модифікований мікроорганізм, який виробляв їх у лабораторії. Потім вони очистили отримані білки (фіброїни) і відлили їх у прозорі, самонесучі плівки. Це перший випадок, коли білок шовку самотньої бджоли було вироблено таким способом і перетворено на матеріал.
Гібридні матеріали та майбутнє досліджень
Хоча створені плівки ще не готові для практичного застосування, техніка відкриває двері для більш глибокого вивчення бджолиного шовку у різних видів. Наприклад, відомо, що шовк медоносних бджіл більш розтяжний, ніж шовк садової бджоли, і цю ж техніку потенційно можна використовувати для його відтворення або навіть змішування з іншими матеріалами.
Саме цим зараз займається команда Вассермана зі своїм бджолиним шовком — поєднуючи його з чимось ще дивнішим: слизом міксини. Міксини — це стародавні безщелепні глибоководні риби, які виділяють в’язкий секрет під загрозою. Цей секрет швидко розширюється в морській воді, забиваючи зябра того, хто нападає. Слиз міксини — це суміш слизу та тонких білкових ниток, і коли ці нитки розтягують і висушують, їх механічні властивості наближаються до властивостей павутиння. Лабораторія Вассермана використовує той самий молекулярний підхід як для білків міксини, так і для бджолиного шовку, і обидва матеріали мають схожу основну структуру білка. Це означає, що їх потенційно можна змішувати в матеріали, що поєднують найкращі властивості кожного з них.
«Шовк використовувався для різних цілей тисячоліттями, — каже Вассерман. — Незважаючи на це, більша частина цієї уваги приділялася лише кільком видам, переважно тутовому шовкопряду та павукам. Серед комах загалом шовк вражаюче різноманітний, його виробляють багато видів, які відрізняються за складом і механічними властивостями… Але дивно, що багато аспектів, таких як їхній шовк і кокони, залишаються недостатньо вивченими. У міру прогресу в галузі я очікую, що багато з цих відкритих питань почнуть отримувати відповіді».
Найцікавіше за тиждень
Один лист на тиждень. Без спаму.
Нові статті, добірки та корисні матеріали DAY TODAY — в одному короткому листі.
