Модифицированные шелкопряды прядут паутину в шесть раз сильнее, чем кевлар

Ученые осуществили давнюю мечту — генетически модифицировать шелковичных червей, чтобы производить материал, более прочный, чем кевлар, для бронежилетов. Этот продукт не только может спасти жизни и найти множество промышленных применений, но также может быть более экологически чистым, чем существующие технологии производства высокопрочных тканей. Новое исследование было опубликовано в Matter.  

Шелкопряды используются в коммерческих целях уже почти 5000 лет. Торговля производимой ими продукцией, возможно, помогла создать современный мир, открыв контакты между Европой и Китаем. Нити, которые некоторые мотыльки прядут, чтобы сделать свои коконы, даже легкие и достаточно прочные, чтобы до Второй мировой войны из них делали парашюты.

Тем не менее, черви не имеют ничего общего с пауками, когда дело касается соотношения прочности и веса их шелка. Паучий шелк должен останавливать быстро движущуюся добычу, и некоторые виды потратили миллионы лет на совершенствование этой способности. Там, где инженерные материалы обычно либо прочные, либо прочные, пауки справляются и с тем, и с другим одновременно. Однако сбор паучьих нитей в любых крупных масштабах оказался не просто жутким, но и очень трудным из-за каннибализма большинства видов пауков.

«Шелк тутового шелкопряда в настоящее время является единственным волокном животного шелка, коммерциализированным в больших масштабах, с хорошо отработанными методами выращивания», — сказал Цзюньпэн Ми из Университета Дунхуа в своем заявлении. «Следовательно, использование генетически модифицированных тутовых шелкопрядов для производства волокна паучьего шелка обеспечивает недорогую крупномасштабную коммерциализацию».

Идея существует уже давно , но первый продукт был продемонстрирован только сейчас. Команда Ми использовала CRISPR-Cas9, чтобы добавить гены, кодирующие самые сильные протеины шелка от пауков-круговидных пауков, к шелкопрядам, еще находясь в яйце. Требовались гены для более чем 100 аминокислот. По словам Ми, требуемые для этого сотни тысяч микроинъекций были одной из самых сложных частей процесса.

Чтобы проверить, сработала ли модификация, команда добавила к ним ген, заставляющий глаза червей светиться красным под флуоресцентным освещением. Это могло сделать и без того немного жутковатый проект гораздо более зловещим, но это позволило команде узнать, добились они успеха или нет, не дожидаясь, пока черви вырастут и начнут плести коконы.

Еще одним серьезным препятствием было обеспечение того, чтобы железы тутового шелкопряда правильно пряли паутину, что требовало модификаций, чтобы белки в железах червя и белки в паутине были совместимы.

Помимо признанной прочности продукта, способного остановить пулю и при этом его легче носить, чем существующие пуленепробиваемые жилеты, шелк тутового шелкопряда/паука не выделяет микропластик и не требует ископаемого топлива для производства. Выполнив свою работу, щит из паучьего шелка сломается, как это происходит с паутиной.

Наибольшее преимущество может быть получено в виде более прочных и долговечных хирургических швов.

Альтернативный подход к производству шелка, напоминающего шелк пауков, потерпел неудачу в попытке воспроизвести гликопротеиновый поверхностный слой, который пауки используют для стабилизации своей паутины против влажности и света. Шелкопряды уже покрывают свой шелк чем-то подобным.

Другие усилия включали внедрение материалов, которые не могут производить ни одно беспозвоночное животное, например, путем кормления тутовых шелкопрядов графеном или модификации генома тутового шелкопряда для получения аминокислоты, не встречающейся в природе.