Пчелиный шелк может оказаться удивительным новым сверхматериалом

Фото из открытых источников

В то время как мир тонет в пластике, исследователи ищут практичные материалы, которые были бы легкими, прочными и биоразлагаемыми. В последние годы ученые все чаще обращаются к миру природы за вдохновением, и значительная часть исследований посвящена впечатляющим свойствам паучьего шелка.

Но есть еще одна многообещающая альтернатива, которая не бросается в глаза: пчелиный шелк. Если вы сейчас недоумеваете, вы не одиноки. Большинство людей никогда не слышали о пчелином шелке.

«Производство шелка в природе гораздо более распространено, чем большинство людей себе представляют», — сказал Оран Вассерман из Университета штата Юта. «Шелк развивался независимо много раз, и только у насекомых, включая муравьев, пчел и ос, насчитывается по меньшей мере 23 отдельных источника происхождения».

Ранее в этом году Вассерман и его команда первыми создали фильм, демонстрирующий определенный вид пчелиного шелка – важный первый шаг в использовании потенциала этого невероятного материала. Результаты исследования опубликованы в журналах PLOS One и SynBio.

В мире насекомых шелк можно использовать для чего угодно: от плетения паутины и строительства гнезд до плетения коконов. В частности, для пчел эта цель — защита.

«Общественные пчелы, такие как медоносные пчелы и шмели, производят шелк для выстилания ячеек с расплодом в своих колониях», — сказал Вассерман. «Одиночные пчелы, составляющие около 75 процентов всех видов пчел, плетут шелк для создания коконов, обеспечивающих защиту от неблагоприятных факторов окружающей среды».

Верно, около трех четвертей всех видов пчел плетут шелк.

Исследователи изучают свойства различных видов пчелиного шелка уже около 20 лет, но Вассерман и лаборатория Джонса пошли еще дальше, разработав неинвазивный метод синтеза шелка.

Это важно, потому что, хотя всем известно, насколько впечатляющ паучий шелк – в пять раз прочнее стали по весу! – его невероятно сложно воспроизвести в лабораторных условиях.

В своих исследованиях Вассерман сосредоточилась на синей садовой пчеле (Osmia lignaria), одиночной пчеле и важном опылителе садов, имеющей небольшие, коричневатые, вытянутые коконы с характерной сосковидной шапочкой на одном конце. Эти коконы гораздо прочнее, чем кажутся.

Несмотря на то, что и шелкопряды, и синие садовые пчелы используют шелк для создания коконов, они производят шелк совершенно по-разному. Шелкопряд плетет свой кокон из одной непрерывной нити.

Как объяснил Вассерман, личинка пчелы использует более архитектурный подход. Она прикрепляет паутину к стенке ячейки гнезда, перетаскивает нить, используя движения головы, и закрепляет ее в новом месте, повторяя процесс до полного замыкания гнезда.

Образовавшийся кокон имеет лишь несколько структурных слоев, но они работают вместе, обеспечивая баланс газообмена, механической защиты, удержания влаги и устойчивости к паразитам. Последний пункт имеет большее значение, чем кажется на первый взгляд.

Одиночные коконы пчел сталкиваются с вполне реальной угрозой: паразитическими осами. Это осы, которые обнаруживают коконы пчел с помощью химических сигналов, а затем пытаются проткнуть их игольчатым отростком, чтобы отложить яйца внутри развивающейся пчелы (фу, мы знаем). Пчелиный шелковый кокон, по сути, является единственной линией защиты личинки.

Помимо невероятной устойчивости к проколам (свойство, которое лаборатория Джонса сейчас активно изучает), этот материал также является гибким, антимикробным и воздухопроницаемым.

Именно такое сочетание вам понадобится в биомедицинских материалах нового поколения, таких как хирургические шовные материалы, каркасы для тканевой инженерии и технический текстиль. Однако сложность в использовании этих свойств заключалась в воссоздании шелка вне личинки пчелы.

Первые попытки Вассермана заключались в выделении отдельных шелковых волокон из готовых коконов, но этот процесс был трудоемким и приводил к большому количеству обрывов. Поэтому команда вернулась к истокам.

«Разработанный нами протокол позволяет изолировать шелковые волокна непосредственно из ротового отверстия личинки», — объясняет Вассерман.

Для этого они используют систему выращивания пчел, напечатанную на 3D-принтере, которая имитирует естественное гнездо пчелиного дома, и затем выращивают личинки внутри нее. Команда ежедневно наблюдает за каждой личинкой и вмешивается в тот самый момент, когда она начинает плести – когда первые нити еще свободны и находятся в пределах досягаемости. Затем волокна изолируются и закрепляются для проведения механических испытаний.

«Одним из наиболее многообещающих аспектов протокола является то, что личинки продолжают формировать свои коконы, что указывает на минимальную инвазивность метода», — пояснил Вассерман.

Выделив эти нити, команда смогла производить шелк с нуля, используя методы молекулярной биологии для внедрения целевых генов в генетически модифицированный микроорганизм, который вырабатывал их в лаборатории. Затем они очистили полученные белки (называемые фиброинами) и отлили из них прозрачные самонесущие пленки.

Это первый случай, когда белок пчелиного шелка, полученный таким способом от одной пчелы, был превращен в материал. Хотя этот метод пока не может быть непосредственно использован в каких-либо приложениях, он открывает возможности для дальнейшего изучения пчелиного шелка у разных видов пчел.

Например, известно, что пчелиный шелк более эластичен, чем шелк садовых пчел, и этот же метод потенциально можно использовать для воссоздания этого шелка или даже для его смешивания с другими материалами.

Именно этим сейчас занимаются Вассерман и его команда, используя пчелиный шелк в сочетании с чем-то еще более странным: слизью миксин.

Миксины — это древние, бесчелюстные глубоководные рыбы, которые при угрозе выделяют вязкое вещество. Это вещество быстро разбухает в морской воде, закупоривая жабры нападающих на них хищников.

Эта слизь представляет собой смесь слизи и тонких белковых нитей, и когда эти нити растягиваются и высушиваются, их механические свойства приближаются к свойствам паучьего шелка.

В лаборатории Вассермана используется один и тот же молекулярный метод как для белков миксин, так и для пчелиного шелка, и оба материала имеют схожую базовую белковую структуру. Это означает, что их потенциально можно смешивать, создавая материалы, сочетающие в себе лучшие свойства каждого из них.

«Шелк использовался в различных целях на протяжении тысячелетий. Тем не менее, большая часть внимания уделялась лишь нескольким видам, главным образом шелкопрядам и паукам», — сказал Вассерман. «В целом, шелк у насекомых поразительно разнообразен, его плетут многие виды, различающиеся по составу и механическим свойствам… Но, как ни удивительно, многие аспекты, такие как шелк и коконы, остаются недостаточно изученными. По мере дальнейшего развития этой области я ожидаю, что на многие из этих открытых вопросов начнут появляться ответы».