Белковые волокна, которые часто называют «прочнее стали», могут изменить материальный мир в том виде, в каком мы его знаем. Однако, несмотря на десятилетия исследований, никому не удалось массово производить паучий шелк, в первую очередь потому, что точный метод его изготовления до сих пор окутан тайной.
Делая шаг к пониманию его внутренней работы, исследователи из Высшей инженерной школы Киотского университета сообщают о новой модели сборки паучьего шелка, сообщая, что ключом к «прядению» паучьего шелка является комбинация подкисления и процесса, известного как жидкость-жидкость. разделение фаз, или LLPS.
"Шелк паука состоит из белков, называемых спидроинами.
У паука есть железа, плотно заполненная спидроинами в жидком состоянии, называемая дурманом », – объясняет Али Д. Малай, первый автор исследования, опубликованного в Science Advances.
"Эта жидкость быстро превращается в прочный и структурно сложный шелк. Чтобы разобраться, как именно это делается, мы решили вернуться к чертежной доске и посмотреть на сами спидроины. Поэтому мы разработали искусственные спидроины, которые очень похожи на те, что встречаются в природе."
Разработка белка была непростой задачей, но они остановились на использовании специфических спидроинов, называемых MaSp2, одного из наиболее распространенных белков паучьего шелка, которые растворимы в воде.
Выделив искусственный белок шелка паука, команда начала наблюдать за его активностью в различных химических условиях, намереваясь понять, какие ключевые химические изменения необходимы для того, чтобы жидкая фаза превратилась в твердую.
"Мы впервые увидели, как белок собирается в небольшие кластеры. Но когда мы добавили фосфат калия, он мгновенно начал конденсироваться в большие капли с высокой плотностью », – объясняет Малай. «Это явление, известное как разделение фаз жидкость-жидкость – оно довольно часто происходит в ячейках – и это когда жидкие капли меняют свой размер и плотность в зависимости от окружающей среды."
Но это была только часть головоломки. Что нужно, чтобы превратить эту жидкую фазу в хорошо известные нам шелковые волокна?? Ключ был pH. Когда команда снизила pH раствора, шарики начали сливаться вместе, образуя тонкую сеть волокон.
Формирование LLPS и оптоволоконной сети произошло настолько спонтанно, что это было видно в реальном времени. Более того, когда волоконная сеть подвергалась механической нагрузке, она начала организовываться в иерархическую структуру, как шелк паука.
«Шелк паука часто превосходит самые современные материалы, созданные руками человека, и для производства этих синтетических волокон часто используются вредные органические растворители и высокие температуры. Что здесь невероятно, так это то, что нам удалось сформировать паучий шелк, используя воду в качестве растворителя и при температуре окружающей среды », – заключает Кейджи Нумата, руководивший исследованием.
"Если мы сможем научиться подражать механизмам прядения паучьего шелка, это может иметь огромное влияние на будущее производства."