Jedwabista, elastyczna i mocniejsza od stali!

Tłumaczenie Michał Mlącki, Szkoła Festiwalu Nauki

Zdjęcie publikowane dzięki uprzejmości Richarda Daviesa

Czy pajęcza nić może być odpowiedzią na medyczne i militarne wyzwania? Giovanni Cicognani z Instytutu Laue-Langevin i  Montserrat Capellas z Europejskiego Centrum Promieniowania Synchrotronowego we Francji śledzą badania Christiana Riekela i Tilo Seydela nad tym niesamowitym materiałem.

Biomimetyka jest bardzo gorącym tematem we współczesnej nauce, choć pomysł wykorzystania przez człowieka ewolucyjnych wzorów nie jest nowy. Ponad 400 lat temu Leonardo da Vinci studiował biologię ptaków i zainspirowało go to do stworzenia latającej maszyny. Teraz naukowcy z Francji używają najnowocześniejszej technologii do odkrywania sekretów materiału, który istnieje na Ziemi już ponad 150 milionów lat.

Od wieków zazdrościliśmy pająkom umiejętności tworzenia eleganckich sieci. Pomimo swojego delikatnego wygladu, potrafią one zatrzymać owada w locie i są na tyle mocne by utrzymać ofiarę bez zrywania jedwabnych nici. Nitki, które tworzą pajęczynę są zbudowane z  biopolimerów. Jednak w przeciwieństwie do tych stworzonych przez człowieka (np. Kevlar^®), uzyskiwanych poprzez przeciskanie gorącego i kwaśnego roztworu polimeru pod dużym ciśnieniem przez mały otwór (tzw. kądziołek) do łaźni koagulacyjnej a następnie płukanie, przeciąganie i suszenie, nici pajęcze są wytwarzane w temperaturze otoczenia i uprzędzone z roztworu wodnego. Zdolność sieci pajęczych do łapania owadów jest uwarunkowana kombinacją unikalnych właściwości mechanicznych jedwabiu: wytrzymałości, rozciągliwości (do 30%) i, co najważniejsze, trwałości czy odporności na pękanie. Pajęczy jedwab może być sześć razy mocniejszy od takiej samej wagowo ilości stali ale to jego wytrzymałość przesądza o wyjątkowości tego materiału. Potrafi on pochłonąć ogromną ilość energii i nie pęknąć. Wytworzone przez człowieka substancje takie jak Kevlar także są mocne ale brak im dostatecznej odporności. Co więcej, w przeciwieństwie do materiału typu Kevlar pajęczy jedwab ulega biodegradacji i może być powtórnie przetworzony. W naturze, kiedy pająk naprawia swoją sieć zwykle zjada uszkodzone fragmenty i wchłania z niego wszystkie składniki pokarmowe.

Te specjalne cechy sprawiają, że pajęczy jedwab jest obiektem zainteresowań wielu różnych dziedzin nauki. Polimery, w skład których wchodzi pajęczy jedwab, mogą być używane w medycynie jako bardzo wytrzymałe, nietoksyczne nici chirurgiczne lub jako materiał w naprawach więzadeł. Możliwe jest to dlatego, że takie włókna nie tylko nie zużywają się, gdy są często rozciągane, ale także mogą przeciwstawić się uderzeniom i wysokim ciśnieniom. Natomiast sektor militarny bada ten materiał, ponieważ jego zdolność rozpraszania energii może być pomocna w stworzeniu lekkich kamizelek kuloodpornych.

Ale zanim będziemy mogli produkować i używać sztucznego pajęczego jedwabiu musimy zrozumieć co mu nadaje jego unikalne właściwości. Niedawno przeprowadzone doświadczenia w Instytucie Laue-Langevin (ILL) i Europejskim Centrum Promieniowania Synchrotronowego (ESRF – ang. European Synchrotron Radiation Facility) w Grenoble we Francji skorzystały z metody rozpraszania neutronów i promieniowania synchrotronowego do poznania mikroskopowej charakterystyki pajęczej sieci. Dostarczyło to naukowcom nowego spojrzenia na strukturę jedwabiu, która odzwierciedla jego niezwykłe właściwości mechaniczne. Dwie techniki: rozpraszanie neutronów i promieniowanie synchrotronowe dopełniają się nawzajem. Promieniowanie synchrotronowe, typ wysokoenergetycznego promieniowania X^w1, pozwala na badania pojedynczego włókna jedwabiu, uzyskanego od pająka. Natomiast rozpraszanie neutronów pozwala na zbadanie organizacji białek i ich powinowactwa do wody (co ma bardzo duży wpływ na właściwości mechaniczne jedwabiu). Neutrony, w przeciwieństwie do promieniowania synchrotronowego, są rozpraszane inaczej przez zwykłą wodę zawierającą wodór, a inaczej przez ciężką wodę z deuterem. Poddając jedwabne włókno działaniu ciężkiej wody, dzięki analizie sposobu rozpraszania wystrzelonych w niego neutronów, jesteśmy w stanie określić, które atomy wodoru zostały zastąpione przez atomy deuteru. To z kolei daje nam informacje o chemicznym kontekście, w którym występują atomy.

Wyniki uzyskane dzięki współpracy zespołów z ILL i ESRF oraz Wydziału Zoologii University of Oxford w Wielkiej Brytanii pokazały, że pajęczy jedwab jest strukturalnie wysoko-uorganizowanym materiałem. Jego skomplikowana biopolimerowa struktura jest utworzona z białek złożonych prawie wyłącznie z powtarzalnych motywów uformowanych z aminokwasów alaniny i glicyny. Motywy alaninowe tworzą szeregi skrystalizowanych fragmentów oddzielanych od siebie nieskrystalizowanymi, bogatymi w glicynę częściami.

Struktura nanofibryli Rysunek publikowany dzięki uprzejmości Daniela Sapede

Te skrystalizowane i nieskrystalizowanie domeny składają się na  nanowłókna, które są ułożone na bezpostaciowym białkowym podłożu. Naukowcy cały czas dyskutują nad tym, w jaki sposób taka struktura zapewnia niesamowite właściwości mechaniczne pajęczego jedwabiu. Czy są one związane z „molekularnymi sprężynami” na powierzchni bezpostaciowego podłoża, czy z samym podłożem wzmacnianym tylko przez fragmenty skrystalizowane (patrz diagram)?

Już od jakiegoś czasu naukowcy są w stanie sztucznie wyprodukować białka pajęczego jedwabiu. Dzięki temu jesteśmy w stanie dokładniej zrozumieć (choć jeszcze nie w pełni) w jaki sposób organizacja białek przekłada się na wielką wytrzymałość pajęczej nici. Dalsze prace są jednak konieczna by zrozumieć – i powtórzyć – mechanizm agregacji białek i formowania włókien. W odwłoku pająka białka jedwabiu są syntetyzowane i wydzielane w specjalnym gruczole jako rodzaj lepkiego płynnego kryształu. Ten płyn jest następnie przepychany przez długi przewód aż do zatyczki na końcu pajęczego kądziołka. W czasie tej drogi proces ścieśniania płynu i zmiany pH sprawiają, że następuje agregacja białek. Pająk jest nawet w stanie resorbować wodę podczas procesu ściskania płynu. Również inne czynniki, takie jak poruszanie się ciała pająka, grają ważną rolę w procesie przędzenia.

W jaki sposób te czynniki współpracują ze sobą oraz jak mogą być naśladowane przy produkcji sztucznego pajęczego jedwabiu w laboratorium – to pytania, które ciągle trapią naukowców. W ESRF i ILL oraz innych instytucjach na całym świecie, biomimetyczne badania prowadzą do stworzenia materiałów, które zastąpiłyby ich naturalne odpowiedniki, a jednocześnie wykonane byłyby z tańszych i bardziej ekologicznych surowców.

Zasoby informacji w sieci

w1 – aby dowiedzieć się więcej szczegółów o użyciu promieniowania synchrotronowego w badaniach warto zajrzeć do:
Capellas M, Cornuéjols D (2006) Shipwreck: science to the rescue! Science in School 1: 26-29.

Żródła

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.