Jemný, pružný a pevnejší než oceľ!

Preložila Ľudmila Velčeková

Image courtesy of Richard Davies

Mohlo by byť pavúčie vlákno odpoveďou na medicínske a vojenské výzvy? Giovanna Cicognani z Inštitútu Laue-Langevin a Montserrat Capellas z Európskeho zariadenia synchotrónného žiarenia vo Francúzsku prešetrujú výskum Christiana Riekela a Tilo Seydela o tejto pozoruhodnej látke.

Biomimetika je horúcou témou v modernej vede, ale myšlienka, že ľudia môžu využívať evolučné vzory, nie je ničím novým. Leonardo da Vinci pred viac ako 400 rokmi študoval vtákov, aby sa inšpiroval pre svoje lietajúce stroje. V súčasnosti vedci vo Francúzsku využívajú špičkové techniky, aby odhalili tajomstvo materiálu, ktorý existuje už viac než 150 miliónov rokov.

Po stáročia sme závideli pavúkom ich schopnosť vytvárať elegantné siete. Hoci krehké na pohľad, tieto siete môžu zastaviť hmyz uprostred ich letu a sú dostatočne silné na to, aby udržali korisť bez toho, aby sa roztrhla. Vlákna, z ktorých sú tieto pozoruhodné siete, sú biopolyméry. Kým umelé polymérne vlákna, ako napr. Kevlar^®, ktorý je vyrobený pretláčaním horúceho a kyslého roztoku polyméru pod tlakom cez malé otvory (zvlákňovacie trysky) do zrážacieho kúpeľa a následne upravovaný praním, ťahaním a sušením, pavúčie vlákno vzniká pri teplote okolia a je spradené z vodného roztoku. Schopnosť pavúčej siete chytiť hmyz je dôsledkom jedinečnej kombinácie mechanických vlastností vlákna: pevnosti, rozťažnosti (až do 30%) a najmä húževnatosti, teda odolnosti voči roztrhnutiu. Pavúčie vlákno môže byť až šesťkrát pevnejšie než oceľ v porovnaní k hmotnosti, ale práve jeho húževnatosť ho robí tak zvláštnym, lebo mu umožňuje absorbovať veľké množstvo energie bez roztrhnutia. Umelé vlákna, ako Kevlar, sú pevné, ale táto vlastnosť im chýba. Navyše, pavúčie vlákno je biologicky odbúrateľné a recyklovateľné: keď pavúky opravujú svoje siete, často jedia zničené časti siete a tým prijímajú živiny

Tieto zvláštne charakteristiky robia pavúčie vlákno predmetom záujmu mnohých výskumných oblastí. Polymér na báze pavúčieho vlákna by mohol byť použitý v medicíne na veľmi pevné, netoxické stehy, alebo na náhradu väzov, pretože vlákno nielenže sa neunaví pri častom naťahovaní, ale tiež znesie pravidelné nárazy a veľký tlak. Vojenský sektor  skúma túto látku pre jej schopnosť rozptýliť energiu, čím ju robí ideálnou pre odľahčené panciere.

Ale predtým kým začneme vyrábať a používať umelé pavúčie vlákno, musíme porozumieť, čo mu dáva jeho výnimočné mechanické vlastnosti. Pre nedávne pokusy v Inštitúte Laue-Langevin (ILL) a v Európskom zariadení synchrotrónového žiarenia (European Synchrotron Radiation Facility ESRF) v Grenobli, vo Francúzsku, použili rozptyl neutrónov a synchrotrónne žiarenie na zistenie mikroskopických charakteristík pavúčieho vlákna. To poskytlo výskumníkom nový pohľad do štruktúry vlákna, ktorá zodpovedá za jeho mechanické vlastnosti. Tieto dve techniky, rozptyl neutrónov a synchrotrónne žiarenie, sa navzájom dopĺňajú. Kým synchrotrónne žiarenie, typ vysoko energetického RTG žiarenia^w1, umožňuje, aby sa preštudovalo ako je jediné pavúčie vlákno vytlačené zo živého pavúka, neutrónový rozptyl nám umožňuje určiť rozdiely v usporiadaní bielkovín a ich schopnosti prijať vodu, čo má veľký vplyv na jeho mechanické vlastnosti. Neutróny, na rozdiel od synchrotrónneho žiarenia sú rozptyľované rozdielne v normálnej vode, obsahujúcej vodík a v ťažkej vode, obsahujúcej deutérium. Pôsobením ťažkej vody na pavúčie vlákno môžeme zo spôsobu rozptýlenia vystrelených neutrónov určiť, v ktorých boli vodíkové atómy nahradené atómami deutéria. Takto získame informácie o chemických súvislostiach, v ktorých sa našli tieto atómy.

Výsledky získané spoločným ESRF a ILL tímom, v spolupráci s Oddelením zoológie Oxfordskej univerzity vo Veľkej Británii ukázali, že pavúčie vlákno je hierarchicky usporiadaný materiál. Štruktúra jeho zmesového biopolyméru je z bielkovín, ktoré sú takmer úplne zložené z opakujúcich sa motívov tvorených aminokyselinami ako alanín a glycín.

Nanofibril structure. Click to enlarge image Image courtesy of Daniel Sapede

Alanínové motívy tvoria kryštalické domény, ktoré sú oddelené nekryštalickými, na glycín bohatými doménami. Tieto kryštalické a nekryštalické domény sú usporiadané v nanovláknach, ktoré sú vsadené do amorfnej bielkovinovej matice. Vedci stále diskutujú o tom, ako sa táto štruktúra odráža
v úžasných mechanických vlastnostiach pavúčieho vlákna. Je to dôsledok „molekulovej pružiny“ v amorfnej proteínovej matici, alebo dôsledok vlastností amorfnej siete, vystuženej kryštalickými doménami (viď diagram)?

Vedci už nejakú dobu dokážu umelo vyrobiť samotné bielkoviny tvoriace pavúčie vlákno a takto teraz viac, ale nie úplne rozumieme detailom, ako sú bielkoviny usporiadané, aby poskytli úchvatnú húževnatosť pavúčieho vlákna. Predsa len, ešte nás čaká veľa práce, aby sme pochopili - a napodobili – mechanizmus agregácie bielkovín a tvorbu vlákna. V pavúkovi sú proteíny vlákien syntetizované a vylučované v žľaze ako druh lepkavého kvapalného kryštálu. Táto tekutina je potom tlačená cez dlhý kanálik ku pavúčej snovacej bradavke. Zahusťovací proces a zmena pH na tejto ceste premieňa lepkavú tekutinu, čo spôsobuje agregáciu proteínov vlákna. Pavúk je dokonca schopný vstrebať a recyklovať vodu v priebehu zahusťovacieho procesu. Ďalšie faktory, ako napr. pohyb pavúčieho tela, hrajú tiež významnú úlohu v spriadacom procese.

Ako presne tieto faktory spolupôsobia a ako by mohli byť napodobnené pri výrobe umelých pavúčích vlákien v laboratóriách je otázka, ktorá stále zamestnáva vedcov. Biomimetický výskum umelej náhrady jedného z najúžasnejších a spolu s ním aj novú generáciu lacnejších a ekologickejších materiálov pokračuje v ESRF, ILL a iných inštitúciách na celom svete.

Internetové odkazy

w1 – "For more details of how synchrotron radiation is used in research, see:
Capellas M, Cornuéjols D (2006) Shipwreck: science to the rescue! Science in School 1: 26-29.

Použitá literatúra

ESRF (2006) Nature inspires technology. ESRF Newsletter, Issue 43, June.

Forbes P (2005) The Gecko’s Foot. London, UK: Fourth Estate

Sapede D (2006) Contributions à la compréhension de la structure et de la dynamique hiérarchiques du fil de traîne de l’araignée. PhD thesis. Grenoble, France: Université Joseph Fourier.

Vincent JFV (2007) Is traditional engineering the right system with which to manipulate our world? Science in School 4: 56-60.