Паутина из теплицы

Волокна со свойствами паутины могли бы найти широкое применение во многих отраслях современной техники, но вот беда: сами пауки просто не в состоянии произвести необходимое для этого количество паутины, а синтезировать её в лабораторных условиях человек пока не научился, да и себестоимость такого волокна была бы непомерно высокой. Поэтому все надежды учёных-материаловедов обращены сегодня... к селекционерам-аграриям. Именно так: паутину предполагается выращивать в теплице.

Один из парников, принадлежащих Немецкому институту генетики растений и изучения сельскохозяйственных культур в Гатерслебене, в федеральной земле Саксония-Анхальт, полностью отдан под табак. Урожай выдался на славу, однако ни один из этих листьев не будет использован для скручивания сигар или производства сигарет. Селекционеры холят и лелеют растения, чтобы добыть из них совершенно не свойственную им от природы субстанцию, которая служит основой для паутины. Дело в том, что учёные внедрили в геном табачного куста ген, позаимствованный у паука. Этот ген кодирует тот самый белок фиброин, из которого и состоит паучий шёлк. Паутинные нити выполняют множество функций: служат паукам и для построения убежищ, и для выстилки норок, и для прядения яйцевого кокона, но главное - для создания ловчих сетей. Эти весьма изящные воздушные сооружения обладают не только сложной архитектурой, но и поистине завидными прочностными свойствами, не уступающими, а то и превосходящими параметры лучших синтетических волокон. Биолог Юрген Шеллер поясняет:

- Стабильность выше, чем у стали при прочих равных условиях. То же самое относится и к удельной прочности на разрыв. А если иметь в виду эластичность и сочетание эластичности с прочностью, то паутина - по крайней мере, тех пауков, с которыми мы имеем дело, ведь паутинные нити разных пауков обладают разными механическими характеристиками, - так вот, паутина не уступает такому замечательному синтетическому волокну, как кевлар.

Правда, чтобы получить паутинную нить со столь выдающимися свойствами, учёные позаимствовали ген у одного из самых искусных прядильщиков сетей - обитающего в Коста-Рике крупного паука-кругопряда (Nephila clavipes), ярко-жёлтые ловчие тенёта которого достигают 2-х метров в диаметре.

Этот паук, словно химическая фабрика, производит широкий ассортимент продукции: тут и каркасные, и радиальные нити, и опорная нить, и собственно ловчие нити, и даже особый клей для скрепления нитей разных видов в узлах сети.

Решая, какую нить попытаться получить путём выращивания трансгенного табака, учёные остановили свой выбор на опорной нити. Она - самая прочная: именно на ней паук спускается к своим попавшим в сеть жертвам.

Попытки посредством генетических модификаций заставить другие организмы синтезировать молекулы паутинного белка предпринимались уже не раз. Как правило, объектом таких экспериментов становились бактерии. Однако добиться сколько-нибудь серьёзного успеха микробиологам пока не удалось. Юрген Шеллер поясняет:

- Там исследователям приходилось, главным образом, бороться с таким феноменом, как нестабильность выведенных ими линий мутантных бактерий. То есть трансгенные бактерии поначалу действительно синтезировали паутинный протеин, но очень непродолжительное время: каждое следующее поколение производило всё меньше и меньше белка.

Кроме того, для получения весьма скромного количества паутинного волокна потребовались бы огромные бродильные чаны:

- При бактериологическом синтезе паутины вы не может рассчитывать на количества, измеряемые хотя бы граммами. При такой технологии для получения одного миллиграмма паутинного белка вам потребуется, по моим оценкам, примерно литр культуры. Значит, резервуар ёмкостью в 1000 литров - а это всё же довольно громоздкое сооружение! - даст вам от силы один грамм протеина.

Исследователи, экспериментирующие с мутантным табаком в Институте генетики растений и изучения сельскохозяйственных культур в Гатерслебене, умудряются снимать "урожай" в 2 грамма паутинного белка с очень небольшого парника, в котором помещается от силы сотня растений. Всё это замечательно, но есть одна проблема, которая сводит практически на нет все усилия учёных: паутинный белок - это ещё далеко не паутинная нить. Дело в том, что все свои выдающиеся механические характеристики паутинное волокно обретает лишь в результате того,

- ... что паук в своих паутинных железах формирует из молекул паутинного протеина - фиброина - особую вязкую массу, которая, застывая на воздухе, и образует те самые вожделенные нити. Иными словами, производство готового волокна из имеющегося сырья - это второй этап технологического цикла, и этим этапом мы пока не овладели. Но в принципе уже понятно, что он состоит из нескольких последовательных стадий: сначала белок надо будет подвергнуть действию высококонцентрированного растворителя, затем этот растворитель удалить, а потом уже формировать волокно в условиях высокого давления.

Так считает руководитель проекта Удо Конрад. И всё же выяснить в деталях, как функционируют паутинные железы паука, исследователям никак не удаётся. Механизм, позволяющий из белковой каши получать высокоструктурированную нить с уникальными механическими свойствами, остаётся загадкой для учёных. Но технологи полагают, что и с помощью обычного прядильного устройства им удастся получить из паутинного протеина вполне пригодное к использованию волокно, пусть пока и в очень небольшом количестве. Очередной сбор урожая с табачной плантации должен дать учёным достаточно паутинного белка, чтобы попытаться искусственно воспроизвести продукцию коста-риканского паука. Если эти опыты увенчаются успехом, в руках исследователей окажется на редкость прочное и эластичное волокно. Но это ещё не всё. Какими бы замечательными ни были механические характеристики паутинной нити, её достоинства этим не исчерпываются, подчёркивает Удо Конрад:

- Кроме того, белок, из которого состоит паутинное волокно, практически не вызывает аллергических или иммунных реакций. А это означает, что такое волокно найдёт широкое применение в медицине. Судя по всему, оно может оказаться просто идеальным материалом для протезов, искусственных органов, имплантатов и тому подобных изделий медицинского назначения.