Научная
деятельность
Университет ИТМО

Ученые впервые детально исследовали поверхностные свойства паутины

Аспиранты и сотрудники международной лаборатории «Растворная химия передовых материалов и технологий» (SCAMT) ИТМО вместе с коллегами из Шведского сельскохозяйственного института (SLU) исследовали поверхность шелка пауков Linothele fallax и то, как его особенности влияют на свойство всего материала. Результаты экспериментов показали, что паутину можно использовать в хирургии и в качестве пищевой экоупаковки. О том, как проходило исследование и почему его результаты важны не только для ученых, рассказываем в нашем материале. 

Что сделали ученые

Авторы исследовали паутинный шелк с помощью атомно-силовой микроскопии и сканирующего электронного микроскопа, что позволило им впервые в научном мире детально изучить поверхностные свойства паутины, например способность к сцеплению, липкость, шероховатость. Так, они выяснили, что расположенные на поверхности волокна клубочки — это его неотделимая часть, а не самостоятельные белково-углеводные комплексы.

Ученые обработали нити шелка различными растворителями, тем самым попробовав повлиять на свойства паутины. В случае с этанолом и водой изменения оказались незначительными, а вот диметилсульфоксид (ДМСО) практически полностью «смыл» все клубки с волокна — шелковая нить стала более гладкой, улучшилось сцепление между ней и материалом.

Затем исследователи проанализировали «смывы», полученные после обработки каждым из растворителей, методами ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) и жидкостной хроматографии масс-спектрометрии (ЖМ-МС). Состав «смывов» оказался примерно одинаковыми — это еще раз подтверждает, что клубочки представляют собой узлы шелковой нити.

<p class="show_photo_comment">Шелк паука Linothele Fallax под микроскопом. Фото: Анастасия Навроцкая</p>
<p class="show_photo_comment">Шелк паука Linothele Fallax под микроскопом. Фото: Анастасия Навроцкая</p>

Зачем обрабатывать волокна

Растворитель изменяет поверхностную структуру паучьего шелка, тем самым влияя на его биосовместимость — способность длительно контактировать с тканями человека, не вызывая негативной реакции. В паучьем волокне чередуются гидрофобные (нерастворимые в воде), гидрофильные (растворимые в воде), заряженные и незаряженные участки. Учитывая этот факт и то, что различные биологические объекты имеют разные свойства, применение паучьего шелка ― как в природном виде, так и после обработки ― весьма разнообразно. Богатый животным белком продукт дольше остается свежим, если его завернуть в шелк, обработанный более гидрофобными растворителями (ДМСО). Углеводные растительные материалы, напротив, сохраняют больше влаги, если их упаковать натуральной паутиной.

При этом обнаруженные в «смывах» жирные ненасыщенные кислоты проявляют антибактериальные свойства. Это дает преимущество как при работе с продуктами питания (при транспортировке не нужно обрабатывать токсичными веществами), так и в медицине ― для производства заживляющих повязок, покрытия имплантатов, хирургических нитей и применения в создании искусственных органов.

«Мы не утверждаем, что антибактериальные свойства паутинного шелка смогут полностью заменить антибиотики. В статье “смывы” показали эффективность в отношении золотистого стафилококка (Staphylococcus aureus). Мы предполагаем, что паутину можно использовать как покрытие для имплантатов, так как она не отторгается организмом и уменьшает рост бактериальных колоний», — комментирует соавтор статьи, аспирантка ИТМО Анастасия Крючкова.

<p class="show_photo_comment">Анастасия Крючкова в инсектарии лаборатории SCAMT. Фото: ITMO.NEWS</p>
<p class="show_photo_comment">Анастасия Крючкова в инсектарии лаборатории SCAMT. Фото: ITMO.NEWS</p>

Зачем изучать паутинное волокно

С момента открытия природных полимеров люди активно используют их в быту и промышленности. Добывать их и обрабатывать — порой сложный, дорогостоящий и не всегда экономически выгодный процесс. Поэтому химики, физики и биологии активно ищут способы воспроизвести природные формулы в лаборатории, а затем — и на производстве.

Натуральный паучий шелк — прочный, эластичный и гибкий материал. На сегодняшний день у него нет достойного синтетического аналога: они подражают лишь одному или паре, но не всем свойствам прототипа. Например, такие аналоги прочные, но не эластичные. Причина в том, что паутинные железы — это утонченная и слаженная система биореакторов. Пока ученым до конца не известны ни детали их работы, ни точный химический состав и архитектура самого шелка.

Почему именно Linothele fallax 

У этого вида пауков из отряда птицеедов есть особенность: они плетут не радиальную паутину («кружочком»), как многие их родственники, а в виде полотна. Плюс в том, что в каждом его месте шелк по химическому составу и физическим свойствам примерно одинаковый. К тому же он очень прочный, потому что Linothele fallax плетет его из одной главной железы, прядильные трубочки которой (по ним проходит готовая нить) однородны по своей поверхности. А еще Linothele fallax очень «производительны» — за неделю они оплетают весь контейнер, в котором живут.

<p class="show_photo_comment">Сбор паучьего шелка в лаборатории SCAMT. Фото: Дмитрий Григорьев / ITMO.NEWS</p>
<p class="show_photo_comment">Сбор паучьего шелка в лаборатории SCAMT. Фото: Дмитрий Григорьев / ITMO.NEWS</p>

Каковы перспективы использования паутинного шелка

Результаты исследования сотрудников SCAMT важны не только для фундаментальной науки, но и для практических приложений. Авторы статьи планируют подробнее изучить антибактериальные свойства паучьего шелка, чтобы в дальнейшем сосредоточиться больше на медицинской сфере применения.

«Эксперименты с продуктами питания животного и растительного происхождения пока не дают очевидного результата. К тому же использовать паутину как упаковку, скорее всего, экономически невыгодно: в таких масштабах ее не произвести. Однако у паутины есть перспективы в развитии и в этой области», ― говорит Анастасия Крючкова.

Подробнее об исследовании: Aleksandra Kiseleva, Gustav Nestor, Johnny R. Östman, Anastasiia Kriuchkova, Artemii Savin, Pavel Krivoshapkin, Elena Krivoshapkina, Gulaim A. Seisenbaeva, Vadim G. Kessler, Modulating Surface Properties of the Linothele fallax Spider Web by Solvent Treatment (Biomacromolecules, 2021).