Главная    Энциклопедия    Пауки - дизайнеры новых материалов

Пауки - дизайнеры новых материалов




Р.Моргунов

Перст том 11, выпуск 15_16, август 2004

Функциональные свойства белковых тканей в организмах во многом определяются микромеханикой отдельных молекул. Жизненно важные функции белков осуществляются путем движения и перемещения отдельных групп атомов и переключением конформаций молекулы. Некоторые, уже расшифрованные "механические узлы" молекул можно уподобить простейшим устройствам, совершающим конечный набор простых движений, чем-то похожих на следующий процесс: "открыл затвор, дослал патрон, выстрелил, выбросил гильзу". Однако мы еще далеки от понимания механизмов, управляющих этими процессами, и их роли в функционировании белков. Ответы лежат на пути исследования механических свойств белковых структур.

В недавно вышедшей монографии [1] представлен широкий спектр таких исследований, включающих эксперименты по изучению биополимеров, в частности, паутины. Механические свойства паутины могут варьироваться в очень широком диапазоне в зависимости от условий и биологической необходимости. В [2] исследования были сконцентрированы на двух типах паутины, приготовляемой пауком-самкой araneus diadematus:

    1)    тягучая, покрытая клееподобным составом и скрученная в круглые сети для отлова жертв;
    2)    "канатная", используемая для поддержки тела паука и обрамления ловушек.

Рис. 1. Диаграммы нагружения и разгрузки паутины двух типов: "ловушечной" и "канатной".
Испытания механических свойств паутин были проведены с помощью серийно выпускаемой машины Instron, которая задает темп деформации и измеряет нагрузку, которую приходится для этого обеспечивать. По данным [2], первый тип паутины имеет высокую растяжимость и выдерживает нагрузки, большие, чем большинство биополимеров, до 450МПа. Такая высокая растяжимость объясняется высокой гигроскопической способностью и повышенной молекулярной подвижностью из-за присутствия молекул воды. В сухом состоянии эта паутина хрупкая и ломкая. Второй тип паутины не такой тянущийся. Его исходный (до растяжения) модуль упругости составляет Е = 3ГПа (для сравнения, у полистирола Е = 2ГПа). Эти свойства являются прямым отражением того, что данный белковый материал высушен на воздухе и белок в волокнах находятся не в эластичном состоянии. Хотя растяжимость второго типа паутины составляет 30%, т.е. превышает эту характеристику в кевларе (полимер, из которого изготавливают пуленепробиваемые жилеты и непрокалываемые шины), она оказывается меньшей, чем у других белковых материалов.

Такая труднообъяснимая разница в механических свойствах различных типов паутины, а также интерес к механизму запасания энергии в белках инициируют эксперименты по изучению обратимости и гистерезиса деформации белков. Из рисунка 1 можно видеть, что в первом цикле нагрузки-разгрузки оба типа паутины проявляют необратимость, в то время как при последующих циклах необратимость исчезает (белковое волокно "привыкает" к нагружению). Оба типа паутины восстанавливаются после первого нагружения лишь на 30-40%. Возможность эффективно превращать механическую энергию в тепловую делает привлекательным использование паутины и аналогичных ей материалов для создания приборов, аккумулирующих упругую энергию. В биологическом отношении это поглощение механической энергии важно для того, чтобы минимизировать отскок жертвы. Оба типа паутины демпфируют удар при точечном нагружении и рассеивают механическую энергию в виде тепла. Сравнение ударопрочности паутины с современными продуктами high-tech показывает, что у паутины она выше в 3-4 раза! Еще одно важное свойство паутины - возрастание прочности и упругого модуля в несколько раз при увеличении скорости нагружения. Аппаратура Instron не позволила авторам [2] полностью промоделировать ударное нагружение паутины, однако оценки показывают, что паутина не разрывается при ударе с энергией до 10ГДж/м3 (равно энергии пули, рассеиваемой при контакте в объеме 1мм3). По утверждению авторов, это делает паутину самым крепким материалом из известных человечеству.

Рис. 2. Экструзия паутины производится пауком с помощью этого органа, сфото-графированного с помощью сканирующего электронного микроскопа

Однако одним из существенных недостатков паутины является ее высокая чувствительность к окружающей среде и, в частности, к влажности. Надежда на то, что Природа должна была мудро распорядиться устройством биополимеров, делает привлекательным исследование их свойств для воссоздания их в искусственных биополимерах с уникальными механическими свойствами, объединяющими высокую эластичность, прочность и растяжимость.

    1.    Elastomeric proteins: structures, biomechanical properties and biological roles, Cambrige University press and the Royal Society, edited by P.Shevry, A.Tatham, A.Bailey, 2002.     2.    Gosline, J. M., Denny, M. W. & DeMont, M. E. Spider silk as rubber. Nature, 1984, 309, 551-552.


Ученые создали искусственную паутину

Наука в мире
29.11.2004 01-42


Mignews.com.ua

Учёные из Еврейского университета в Иерусалиме вместе со специалистами из Мюнхенского университета и британского Оксфорда использовали генную инженерию для создания волокон паутины, почти идентичных натуральным.

Паучья паутина состоит из шёлка от определённых белков. Чтобы воссоздать эти свойства волокон, учёные использовали настоящие гены садового паука - они содержат белок, известный как канатный шёлк.

Получившиеся таким образом искусственные волокна стали в шесть раз прочнее нейлона и стального волокна того же самого диаметра. "С практической точки зрения, массовое производство таких новых волокон, диаметр которых составляет тысячные доли миллиметра, вероятно, будет полезно для изготовления пуленепробиваемых жилетов, хирургических нитей, микропроводников, оптических волокон и удочек, - сообщил израильский биолог Ури Гат. - Могут появится даже новые виды одежды".

Между тем, искусственную паутину учёные создают не впервые - два года назад аналогичной разработкой хвастались американцы и канадцы. Мembrana


Главная    Энциклопедия    Пауки - дизайнеры новых материалов