Ученые химико-биологического кластера петербургского Университета ИТМО разработали гибридный материал с флуоресцентными свойствами из натуральной паутины и наночастиц. В природных условиях паутина разлагается чрезвычайно медленно, и до сих пор биологи не понимали, почему так происходит. Предполагалось, что белки «ждут» процесса создания паутины в виде «строительных блоков» — сферических мицелл наноразмера. Проблема с рекомбинантным волокном паутины в том, что главный компонент натуральных паучьих нитей — бета-нанокристаллы — трудно получить без значительной генной модификации.
Структура, состав и виды паутины
Учёный сделал паутину Спайдермена всего из четырёх ингредиентов. В первую очередь специалисты хотели проверить гипотезу о том, что компоненты паутины способны напрямую убивать бактерии. Паутину способны выделять представители ряда групп паукообразных (пауки, ложноскорпионы, некоторые клещи) и губоногие многоножки. Как паук плетет паутину, этим вопросом часто задаются при виде удивительной ловчей сети.
Как пауки делают паутину и как ее используют люди? Наталья Носова
В спидроине наблюдается высокое содержание остатков аланина и глицина, эти аминокислотные остатки являются причиной исключительной механической прочности волокон паутины. Учёный сделал паутину Спайдермена всего из четырёх ингредиентов. Среди ученых далеко не новость, что паутина состоит из нановолокон. Ученые отметили, что в химическом составе паутины есть глобулярные клубочки, которые богаты аминокислотами.
Началось массовое производство паутины в промышленности
Нить паутины имеет внутреннее ядро из белка, называемого фиброином, и окружающие это ядро концентрические слои гликопротеидных нановолокон. Ученые отметили, что в химическом составе паутины есть глобулярные клубочки, которые богаты аминокислотами. Известно, что паутина прочнее и легче, чем сталь, однако ученые из Института Микроструктурной Физики Макса Планка в Германии еще больше усилили ее.
Паутина пауков: образование, состав, физические свойства
Паутина позволяет пауку ловить добычу без необходимости тратить энергию на то, чтобы догонять ее, что делает ее эффективным методом сбора пищи. Паутина, или паучий шелк – это один из изумляющих примеров материалов, создаваемых природой и проявляющих исключительные физические свойства. Результаты экспериментов показали, что паутину можно использовать в хирургии и в качестве пищевой экоупаковки. Волокно, которое пауки используют для своей паутины, производится специальными брюшными железами. Сам архитектор-охотник перемещается по своей паутине по расходящимся от центра неклейким нитям. Среди ученых далеко не новость, что паутина состоит из нановолокон.
Объект исследований - паутина
Первый — случайные катушки, составляющие 65 процентов; второй — конформация polyproline type II helix PPII helix , занимающая 24 процента. По мнению ученых, именно PPII helix подвергается внутримолекулярным взаимодействиям, из-за которых паутина моментально становится прочной. Это открытие поможет в создании крепких материалов, которые пригодятся в промышленности и медицине. Среди этих инструментов были: спектроскопия ядерного магнитного резонанса, спектроскопия дальнего ультрафиолетового кругового дихроизма и спектроскопия вибрационного кругового дихроизма.
Говорят также, что стареющей британской королеве Виктории китайское посольство преподнесло целую мантию из такого материала. Трудно сказать, насколько этим легендам можно верить, и какую долю в этих тканях на деле составляла паучья нить, но смысл во всём этом есть. В подходящих условиях паутинка может выдержать натяжение, в несколько раз большее, чем максимальное натяжение стальной нити того же диаметра, будучи при том в несколько раз легче. Например, паутинка толщиной в 1 мм должна, по идее, удерживать человека; как тут не порадоваться, что пауки не плетут такой паутины. Эластичность, прочность и лёгкость паутины заставляют многих инженеров мечтать о создании подобного ей синтетического материала — или хотя бы научиться производить натуральную паутину в промышленных масштабах. Более того, такие опыты уже проводятся: выведены козы, в ДНК которых есть гены паучьей паутины, а в молоке оказывается большое количество таких белков — правда, в не сплетённой в нить форме. Теперь группа немецких физиков и химиков из Института физики микроструктур имени Макса Планка показала, что паутину можно сделать ещё крепче и эластичнее.
Особая обработка превращает натуральную паутину в супернить, которая прочнее в 5 раз и «растяжимее» втрое.
Космическая паутина С новой методологией ученым удалось произвести всего два грамма паутины на литр модифицированных бактерий. Это совсем не много, учитывая огромное количество задействованных бактерий, однако ученые отмечают, что даже эти результаты значительно лучше предыдущих попыток массового производства паутины, кроме того, они все еще работают над оптимизацией процесса. Если это исследование оправдает себя, НАСА уже заинтересованно выращиванием этих бактерий не только на Земле, но и в космосе, что позволит космонавтам получать материал для необходимого ремонта снаряжения, не завися от поставок с Земли.
Сейчас это довольно модная тема, которой занимаются как в России, так и за рубежом.
Наша кафедра заинтересовалась именно натуральными свойствами этой паутины, поэтому сейчас мы развиваем это особое направление», — отметил магистрант химико-биологического кластера Университета ИТМО Дауддин Дауди.
Как пауки делают паутину
Она легко цеплялась за предметы в руках соперника и крепко связывала ему ноги. Паутина легко цеплялась за предметы Вторым этапом проверки паутины стали, конечно же, полёты. Джей Ти выбрасывал нить впереди себя, цеплялся за перекладину и спокойно пролетал над матрасами. Полёт на паутине После всех проверок Джей Ти признал, что тест паутины прошёл ещё лучше, чем он рассчитывал. Блогер собирается и в дальнейшем улучшать супергеройский гаджет, так что новое видео не за горами. А полный процесс создания паутины и её испытания можно посмотреть прямо сейчас.
Запасайтесь попкорном. Семейной паре из Китая такие трюки точно покажутся детскими. Их сын без каких-либо приспособлений взбирается по стенам , и они не знают, что делать: вызывать экзорциста или искать школу для одарённых детей.
Главными качествами паутины являются эластичность и прочность, которым в природе нет аналогов.
Реклама «Большинство других материалов либо очень прочные, при этом хрупкие, либо у них большая ударная вязкость, но при этом маленькая прочность на разрыв. В паутине сочетаются оба этих свойства. И аналогов этому материалу нет в природе.
Предварительные эксперименты демонстрировали, что концевые домены оказывают влияние и на образование волокон спидроина, однако точный механизм образования волокон до настоящего времени так и не был установлен. Различные концевые домены спидроина оказывают различные эффекты. Кесслер поясняет, что С-концевые домены образуют димеры за счет дисульфидных мостиков. Для выяснения особенностей расплетения карбоксильных фрагментов исследователи изучили строение этих доменов в растворе методом ядерного магнитного резонанса.
Было обнаружено, что при переносе белков из раствора хлорида натрия в раствор его фосфата такое изменение среды происходит при переходе спидроина из паутинной железы в прядильную трубочку в белке разрушается два солевых мостика, что позволяет молекулам спидроина изменить взаимное расположение и образовать волокна. Кесслер добавляет, что изменение конформации и расплетение белка происходит также и под воздействием напряжения сдвига, которому подвергается спидроин при прохождении через прядильную трубочку.
Контент недоступен Черная вдова — вид пауков, распространенный в Северной и Южной Америке, но встречается и на других континентах.
Взрослый паук окрашен в чёрный цвет. У самок можно заметить красное пятно в виде песочных часов на нижней стороне брюшка. Ученым давно известна аминокислотная последовательность для создания протеинов паучьего шелка.
Предполагалось, что белки «ждут» процесса создания паутины в виде «строительных блоков» — сферических мицелл наноразмера.
Как пауки делают паутину и как ее используют люди? Наталья Носова
Но едва ли не большая загадка — это как пауки её делают. Известно, что паутина состоит из белков, называемых спидроинами, которые изначально находятся в растворе, а потом как-то превращаются в твёрдую нить. Превращение происходит опять же в водном растворе то есть белки не обезвоживаются , при обычной температуре и при том довольно быстро. Что же заставляет растворённые паутинные белки превращаться в твёрдую и гибкую нить? Спидроины — белки довольно крупные, состоящие в среднем из 3 500 аминокислот, большей частью организованных в повторяющиеся последовательности. Наиболее важными для создания паутинной нити являются аминокислоты на концах полипептидной цепи, и у разных пауков концевые последовательности спидроинов сходны между собой.
Образуя нить, молекулы белков меняют пространственную структуру. Происходит это под влиянием градиента рН в паутинных железах пауков: в одном их конце кислотность выше, чем в другом, и в какой-то точке перепад рН заставляет спидроины приобретать особо прочную укладку.
Они сформировали растворимые протеины, используя генетически модифицированные бактерии пауков Nephila clavipes. Этот подход позволил изучить структуру растворимых белков.
Секрет прочности оказался в специфической конформации домена белка. Биологи искали повторяющиеся домены в структуре протеина и нашли два вида.
По словам ученых, такая структура позволяет формировать из гидрогеля длинные и очень тонкие — до микрона в диаметре — нити. Через примерно полминуты вода испаряется, оставляя крепкое эластичное волокно. Хотя полученный материал не дотягивает по прочности до паутины, его ключевое отличие в других экспериментальных материалов в натуральности и нетоксичности всех его элементов.
Процесс разложения может длиться днями и неделями. Ранее специалисты предполагали, что долгое разложение паутины связано с её антибактериальными свойствами. Однако в результате исследования, проведённого учёными из Тунхайского университета, была выявлена другая причина. Специалистами была изучена паутина трёх тропических пауков - Nephila pilipes, Cyrtophora moluccensis и Hippasa holmerae.
Геномное редактирование
- Новости отрасли
- Прочность паутины
- Сверхэластичный и прочный материал: ученые создали аналог паутины, на 98% состоящий из воды
- Паутина — Minecraft Wiki
- Ученые из университета ИТМО выяснили, что паутина может залечивать раны
- Российские учёные создали из паутины и наночастиц материал для хирургических нитей
Как паутина может собирать воду
Там на поверхности волокон паутины были синтезированы углеродные точки класс наночастиц. NEWS В результате учёные получили гибридный материал с уникальными оптическими свойствами, который может применяться при создании нитей для хирургических швов. По словам специалистов, нити на основе такого материала будут экологичнее, функциональнее и эластичнее, чем те, которые сейчас используются в хирургии. Учёные отмечают, что материал также будет способствовать обнаружению патогенных микроорганизмов, провоцирующих различные заболевания. Также эти наночастицы могут служить сенсором для обнаружения патогенов, поскольку при взаимодействии с ними свечение снижается и оптический отклик не наблюдается. Обычно, когда мы светим на наш материал фонарём с синим светодиодом, мы видим, как он материал становится красным. Но после взаимодействия с патогенами он перестаёт светиться.
Магнитные наночастицы способны нагреваться и высвобождать лекарственные препараты в зоне повреждения тканей. При этом волокна шёлка выполняют поддерживающую функцию для клеток. В будущем учёные хотят заменить паутину на более доступный материал — фиброин шелкопряда.
Напомним, ранее сообщалось , что специалисты ИТМО в составе международной научной группы смоделировали химический механизм формирования молекул-коацерватов.
Ее роль гораздо важнее. Самки используют ее для привлечения самца, оставляя на нитях феромоны. Самцы аранеоморфных пауков в преддверии брачного периода плетут особую сперматическую сетку, на которую выделяют семенную жидкость для последующего переноса в особый резервуар на передних конечностях-щупальцах педипальпы. Они же являются органом совокупления.
Из паутины также ткутся яйцевые коконы. Некоторые из них имеют очень сложную барьерную структуру. Бактериостатические свойства паутины защищают яйца от воздействия плесневых грибков, бактерий и высыхания. Еще одна причина, зачем паукам нужна паутина — это защита. Взрослые особи прячутся в паутинных коконах в периоды линьки.
В это время они наиболее уязвимы, а плотный воздухопроницаемый чехол надежно защищает от внешних факторов. Водяные пауки создают из паутинных нитей кокон для сбора пузырьков воздуха. Многие виды устилают волокнами стены своего жилища, оплетают вход в него. Из паутинных нитей пауки создают страховочные структуры в месте своего обитания и охоты, чтобы цепляться в случае падения. Пауки-кругопряды из паутины и мелкого мусора скатывают муляж и подвешивают его на ловчую сеть в качестве приманки.
Паук периодически поедает паутину обычно при ремонте повреждений. Есть 2 версии, почему он это делает: 1 — восполнение белка в организме, 2 — получение воды, оседающей во время осадков. Паутина служит и для распространения популяции. Молодые паучки некоторых видов по осени покидают свои гнезда на тонких паутинных канатиках, переносимых ветром. При ближайшем рассмотрении паук представляет собой уникальную прядильную мини-фабрику и интереснейший объект для наблюдения.
Это хищники, которых не удалось заставить производить шелк для человеческих нужд, как шелкопрядов. Ученые близки к созданию подобных нитей в искусственных условиях, но эта цель пока не достигнута. Оцените статью.
Это открытие поможет в создании крепких материалов, которые пригодятся в промышленности и медицине.
Предлагаемый механизм формирования паутины. Источник: Nature Один из авторов исследования, Нур Алия Октавиани Nur Alia Oktaviani , объяснила процесс работы: «Нам повезло: мы использовали мощные инструменты для анализа белка, перед тем как он перевоплотился в бета-лист. Среди этих инструментов были: спектроскопия ядерного магнитного резонанса, спектроскопия дальнего ультрафиолетового кругового дихроизма и спектроскопия вибрационного кругового дихроизма. Я очень рада, что нам удалось отыскать эту специальную конформацию».