Из жизни гусениц и пауков. Бионанофабрики шелковых волокон

Опубликовано 08.10.2015
Герман Кричевский   |   просмотров - 6055,   комментариев - 0
Из жизни гусениц и пауков. Бионанофабрики шелковых волокон

Предлагается необычный формат текста для портала НОР, состоящий из двух частей и написанных двумя авторами. Первая часть – глава из книги профессора Германа Кричевского «Нано-, био-, химические технологии и производство нового поколения волокон, текстиля и одежды», а вторая часть текста принадлежит талантливому изобретателю Юрию Васильевичу Шевнину. Оба текста описывают разным стилем феномен производства в природе натурального шелка тутовым шелкопрядом и паучьего шелка пауками, их строение, схожесть и различия, широкие возможности применения.

Профессор Герман Кричевский

Уважаемые читатели нашего портала НОР!

Вашему вниманию предлагается необычный формат текста для портала НОР, состоящий из двух частей и написанных двумя авторами. Первая часть – глава из моей книги «Нано-, био-, химические технологии и производство нового поколения волокон, текстиля и одежды» (М. 2011 г, 528 стр., заказ gek20003@gmail.com), а вторая часть текста принадлежит талантливому изобретателю Юрию Васильевичу Шевнину. Оба текста описывают разным стилем (в широком смысле) феномен производства в природе натурального шелка тутовым шелкопрядом и паучьего шелка пауками, их строение, схожесть и различия, широкие возможности применения. Вторую часть текста я не редактировал, как обычно, а оставил в оригинале, чтобы сохранить стиль автора.

Из жизни гусениц и пауков. Бионанофабрики шелковых волокон.

(Глава из книги Г. Е. Кричевского «Нано-, био-, химические технологии и производство нового поколения волокон, текстиля и одежды» (М. 2011 г, 528 стр., заказ gek20003@gmail.com)

«Мне нужно замереть и притаиться —

Я куколкой стану,

И в бабочку в итоге превратиться —

По плану, по плану».

/В. С. Высоцкий, «Алиса в стране чудес»

«Вдруг какой-то старичок Паучок

нашу муху в уголок поволок…»

/К.И. Чуковский

Введение.

Природа как сверхразум, создавая сложные циклы жизни тутового шелкопряда и пауков, конечно, «не задумывалась» о нуждах человека в шелковых волокнах. Также как она «не задумывалась» о нуждах человека в одежде, создавая все Сущее, и, в частности, хлопчатник, лен, коноплю, овец, коз etc. А человек, наблюдая, изучая разнообразные феномены природы, научился подражать ей, имитировать ее технологии и продукты этой технологии. Правда, пока эта имитация (биомиметика) не всегда достигает тех же результатов, что и природа. С природой соревноваться очень трудно, но стараться надо. Необыкновенные по свойствам природные волокна натурального шелка, производимые тутовым шелкопрядом, и паучий шелк пока не воспроизведены человеком, но довольно успешные попытки имитировать (биомиметизировать) паучий шелк проводятся. Об этом, в том числе, пойдет речь далее.

Интерес ученых к природным белковым волокнам - шелку шелкопряда и пауков - обусловлен уникальной биотехнологией их производства гусеницами и пауками. Технологией очень простой и одновременно очень сложной и исключительно эффективной.

Простота заключается в том, что водорастворимый белок выдавливается - прядется (формируется) насекомыми через соответствующие органы (биофильеры) и сразу на воздухе формируется в волокна с уникальными по физико-механике, гидрофильности и другими параметрам свойствами. В многообразных современных технологиях производства химических волокон (из раствора, из расплава) такой простоты добиться не удается, да и такие свойства в сочетании (прочность, гидрофильность, тактильность, биоактивность) ни одно химическое волокно пока не демонстрирует. Химические волокна же на выходе из фильеры для придания им прочности подвергаются многократной вытяжке и термообработке. Простота биотехнологий и уникальное сочетание свойств (в случае природных белковых шелковых волокон они необходимы для выполнения важных функций в жизни этих насекомых) достигается очень сложным химическим блочным строением полимерных цепей этих белков, о чем будет подробнее сказано несколько позже.

Исключительно привлекательная экономичность этой биотехнологии заключается в практически нулевой затрате энергии («холодная» технология и только усилия мышц железы на продавливание раствора белка через биофильеры).

При достижении успеха в биомиметике в производстве волокон - аналогов природному шелку шелкопряда и пауков - мы уходим от столетней зависимости от нефти и газа, являющихся сырьем для производства полимеров, и в том числе волокнообразующих.

В последние примерно десять лет возродился очень большой интерес к природным волокнам, прежде всего, к белковым волокнам животного происхождения и, особенно, к паучьему шелку как объектам биомиметики. С чем это связано?

Появились возможности на современном биологическом и генетическом уровне изучить механизм образования этих белков и возможность понимания природы и назначения уникальных свойств волокон. Но главное - появилась возможность попытаться отыскать с помощью нанобиотехнологий пути производства волокон: аналогов по химическому, физическому и морфологическому строению и свойствам этих волокон. Не лишне будет отметить, что в конце 19-го и в начале 20-го веков известное с древних времен производство натурального шелка шелкопряда послужило в какой-то степени прообразом производства первых химических, искусственных волокон. Только в качестве сырья был использован природный полимер – полисахарид, древесная целлюлоза. Полученные по этой технологии вискозные волокна до сих пор занимают значительное место (~10%) в ассортименте химических волокон.

Искусственные гидратцеллюлозные вискозные (и другие) волокна были призваны заменить натуральный шелк. Полностью это не произошло, и не могло произойти, т.к. химическое строение, которое в первую очередь определяет свойства полимера, у них совсем другое (полисахарид) по сравнению с натуральным шелком (белок). Но вискозные волокна по своим свойствам приблизились к природным растительным целлюлозным волокнам (хлопок, лен, рами, джут, кенаф), т.к. химическая природа у них одинаковая (целлюлоза). Опять-таки уместно отметить, что принципы биомиметики проходят через всю химическую технологию производства волокон и текстиля: замена природных волокон на химические, природных красителей на синтетические, природных текстильно-вспомогательных веществ на синтетические. Не всегда эта замена абсолютно оправдана, особенно исходя из экологических требований сегодняшнего дня.

Общее и различия у гусеничного и паучьего шелка

Общее, самое общее: оба шелка - продукты жизнедеятельности этих насекомых (животные), являются естественно белками. Но белками разными, с различными первичной, вторичной, третичной, четвертичной структурами и морфологией. Это совершенно понятно, т.к. функции у паучьего и гусеничного шелка разные, и свойства у них должны быть разные, что природа замечательно реализует. Свойства в широком смысле всегда производные от структуры (философская истина в понятиях материалистической картины мира). Шелк кокона, в котором литоргическим сном спит куколка бабочки шелкопряда - это строительный белковый материал для кокона-домика, а паучий шелк — материал для ловли и удержания жертвы пищи для пауков-хищников. Гусеницы — травоядные животные, пауки — «мясоеды», да еще и каннибалы, поедающие друг друга. Отсюда выражение «как пауки в банке».

Теперь из жизни тутового шелкопряда и пауков-прядильщиков по отдельности, потому что жизнь у них сильно отличается.

История окультуривания и жизненный цикл тутового шелкопряда

Натуральный шелк - одно из природных волокон, освоенных еще на заре цивилизации наряду с хлопком, льном и шерстью. Каждый метр текстильного материала, произведенного в наши дни, несет на себе память и знания, накопленные и аккумулированные веками и тысячелетиями, на протяжении которых человек занимался одной из древнейших технологий. На самых ранних стадиях развития цивилизации люди уже умели эти волокна выращивать и перерабатывать в изделия.

Текстиль как результат, как продукт древнейшей культуры и технологии, и как насущная, повседневная (как пища или жилье) потребность человека (защищает от окружающего мира: одежда как «вторая кожа», формирует среду обитания - домашний текстиль) играл первостепенную роль в жизни конкретного человека, общества, стран, человечества. На протяжении всех эпох развития человека производство текстиля, торговля им или изделиями из него формировали новые торговые маршруты («Великий шелковый путь», путь «из Варяг в Греки»), порождали экономические блокады, войны (Испании–Англия, Англия–Франция, Англия–Северная Америка) и союзы (ВТО). В наше время этот Великий путь из Китая во все страны мира распространился на все виды текстиля, одежды, обуви, игрушек и так далее (рис.1).

Рисунок 1. Великий шелковый путь - 10 тысяч километров

Родиной шелка считают Китай, во всяком случае, древнюю цивилизацию Юго-Восточной Азии, в климате которой произрастали дикие деревья тутовника, листьями которого питаются гусеницы шелкопряда. Человек, живущий ~ 5000 лет тому назад (~ 3000 лет до н.э.), подметил способность этих насекомых вить кокон-домик из шелковины, научился разматывать эти коконы и ткать из этих шелковин ткань, одомашнил этих насекомых, окультурил разведение деревьев тутовника и создал уникальную технологию производства шелковых тканей от яиц гусеницы до готовых тканей.

Существует множество легенд о том, как китайцы открыли, придумали эту технологию, как долгие годы сохраняли ее в секрете, как эти секреты были раскрыты шпионами в древности и как натуральный шелк стал распространяться в соседние азиатские страны, затем в Европу, Америку и далее по всему свету.

Вот одна из легенд в кратком изложении. Во время традиционной церемонии китайского чаепития императрица Хен-Линг-Чи (~ 2500 лет до н.э.) случайно уронила кокон тутового шелкопряда в чашку горячего чая и увидела, как от набухшего кокона отделились шелковые нити. Так родилась древнейшая технология (культура), принципиально не изменившаяся до нашего времени.

Тут присутствует элемент эвристичности (случайно уронила как случайно упало яблоко на голову Ньютона) и гениальности, наблюдательности человека (императрицы или великого ученого).

Вторая легенда связана с миграцией этой технологии в соседние страны. В IV в.н.э. бухарский эмир посватался к китайской принцессе и попросил в качестве приданного секретную (раскрытие каралось смертной казнью) технологию разведения шелкопряда. Принцесса спрятала в свою многоэтажную модную прическу яйца (грена) гусеницы и семена тутового дерева и таким образом передала эту технологию бухарцам, которые владеют ей до сих пор. Это – пример великой женской любви. Принцесса не побоялась смертной казни, только чтобы доставить приятное и полезное своему жениху.

Следующая легенда, но не последняя из существующих, касается Византийского императора Юстиниана (55 г. н.э.), пославшего в Китай монахов-шпионов. Это пример промышленного шпионажа, что очень модно в наши дни. Они вывезли в своих полых бамбуковых посохах яйца грены и семена тутового дерева. Из Константинополя культура шелководства, где она была быстро освоена, стала распространяться по теплым европейским странам (Италия, Франция, Испания, Греция). После Четвертого крестового похода (1203–1204 гг.) эта культура была завезена в Венецию. В 1596 гг. (времена Бориса Годунова) шелковых гусениц впервые начинают разводить в России, сначала под Москвой, а затем в южных провинциях империи.

Миграция технологии, конечно, подрывала торговый Великий шелковый путь, приносивший в казну не менее великой Китайской империи огромные доходы. Так что элементы современной глобализации (обмен идеями, людьми, технологиями и т.д.) закладывался еще в древности, и тогда было понятно, что выгоднее вывозить или разрабатывать не продукцию, а технологию. К сожалению, до сих пор есть люди, которые этого не понимают.

Теперь коротко о том, как живет гусеница шелкопряда, и какие фазы развития, трансформации, характерные для подобных насекомых, он (шелкопряд) проходит. Фазы эти следующие: гусеница шелкопряда выводится из яиц грены (очень маленькие), которые откладывает бабочка-самка после соития с бабочкой-самцом (23–25°С); за 8–10 дней вылупляются маленькие личинки (3 мм). Из них при хорошем питании вырастают взрослые гусеницы, внутри которых синтезируются и в специальных железах накапливаются два белка - фиброин и серицин, из которых шелкопряд строит домик-кокон. Две шелковинки фиброина и белковый клей (серицин) являются материалом для построения кокона-домика: шелкопряд окукливает себя и превращается в куколку, спящую в этом домике. Она надежно защищена стенками кокона, имеющего наноразмерные поры для проникновения внутрь воздуха, но не влаги из атмосферы (дождевой воды). Через 20 дней из куколки формируется бабочка, которая должна выбраться из кокона.

И тут гениальная природа все продумала. В организме бабочки вырабатывается слюна щелочного характера, которой бабочка воздействует на строительный материал кокона. Материал - белок. А химики знают, что белки повреждаются (гидролизуются) в щелочной среде. В месте воздействия агрессивной щелочной жидкости волокна повреждаются, происходит дополнительное механическое воздействие бабочки на стенку кокона, и бабочка выбирается через образовавшуюся дырочку. Бабочки, самочки и самцы, начинают заниматься любовью и все начинается сначала, по кругу: бабочка откладывает яйца-грену…

Интересна жизненная фаза гусениц до строительства кокона и само строительство. Как только маленькие новорожденные гусеницы появляются на свет, они начинают с огромным аппетитом поедать свежие листья шелковицы. При этом издается такой хруст, что знаменитый медик Пастер сравнил его с «шумом дождя, падающего на деревья во время грозы».

На вторые сутки после вылупления гусеница съедает вдвое больше корма, чем в первые сутки, и в течение пяти дней количество съеденного возрастает в арифметической прогрессии. На пятый день гусеница перестает есть и в течение суток сбрасывает с себя шкурку, несколько часов отдыхает и вновь начинает есть. Гусеница проходит четыре линьки примерно за месяц. За это время она превращается во взрослую гусеницу (8х1 см, масса 3–5 г.), организм которой переработал значительную часть растительной пищи в два вида белка - фиброин и серицин. Железы шелкопряда до краев заполнены этим строительным материалом и можно приступать к возведению кокона. На рис. 2 показано строение гусеницы шелкопряда.

Рисунок 2. Строение гусеницы шелкопряда

Под нижней губой гусеницы имеется маленький бугорок (прототип фильеры), из которого гусеница выпускает клейкое вещество, которые на воздухе затвердевает и превращается в сдвоенную шелковую фиброиновую нить, склеенную серицином. К этому бугорку подходят выводные протоки шелкоотделительных желез, расположенных внутри тела гусеницы. К каждой железе подходит длинный извилистый «канал-шланг», средняя часть которого расширена в виде резервуара, где накапливается белковая «шелковая» жидкость. После пятой линьки железы переполнены белком и занимают почти половину тела гусеницы. Закончив стадию обжорства и выработки двух белков (фиброина и серицина; биосинтез этих белков в общем виде будет описан ниже) гусеница начинает титаническую работу по строительству кокона — временной усыпальницы куколки.

Сначала гусеница-шелкопряд выкладывает каркас, в который она укладывается поудобнее (ведь надолго, примерно 20 дней) и начинает вокруг каркаса вить кокон, для чего быстро вертит головой. На каждый виток уходит 4 см шелковой нити, а на весь кокон ~ 1 км. Для этого гусеница должна мотнуть головой 24 тысячи раз. Вот почему это впрямь титаническая работа, человек бы на первых 2–3-х сотнях получил бы инсульт и инфаркт одновременно. Эта работа продолжается четверо суток, после чего обессиленная гусеница засыпает в своем шелковом саркофаге и превращается в куколку, чтобы через 20 дней выйти из кокона в виде бабочки мужского или женского пола. Интересная гендорная особенность шелкопрядов: гусеницы, из которых в дальнейшем получатся бабочки-самцы, более старательные кокономотальщики, коконы самцов имеют более плотную структуру, на плетение которых расходуется больше шелковой нити, следовательно, и размотать с этих коконов можно больше шелка. У людей такое ярко выраженное трудолюбие мужчин не наблюдается.

Бабочки одомашненного, окультуренного шелкопряда не способны летать, они потеряли это качество как ненужное человеку, который их одомашнил и специализировал только на шелкопрядение.

Откуда в организме насекомых берутся белки.

Это вопрос к биохимикам! Отдельный вопрос о происходящем биосинтезе белков у вегетарианцев шелкопрядов, питающихся только растительной пищей, содержащей ограниченное количество белков. У пауков, питающихся другими насекомыми, содержащими значительное количество белков, этих вопросов не возникает. Рассмотрим общую схему биосинтеза фибриллярных белков (фиброина и серицина) шелкопрядом. Сначала несколько слов о белковых волокнах (шерсть и натуральный шелк) и фибриллярных белках, их составляющих.

Кератин является основной белковой составляющей волосяного покрова, перьев, игл, когтей и кожи животных. В кератине большая часть пептидной цепи свернута в правую α-спираль (рис. 3). Две пептидные цепи образуют общую суперспираль.

Рисунок 3

Суперспирализованные димеры кератина объединяются в тетрамеры, агрегирующиеся в протофибриллы диаметром 3 нм. Наконец протофибриллы образуют микрофибриллы диаметром 10 нм (рис. 4 а, б). Это типичная наноструктура (очень сложная) природного происхождения. Наночастицы в виде фибрилл образуют гетерогенную надмолекулярную структуру, для которой характерна развитая нанопористость (внутри- и межфибриллярная).

Рисунок 4

Первичная структура кератина построена из широкого ассортимента аминокислот, в основном сложного строения (дикарбоновые, диамино-, гетеро-, ароматические, гидрокси-, тио-). Вторичная структура кератина – α-спираль.

Третичная структура — межмолекулярные водородные, ионные, ванн-дер-ваальсовые связи и гидрофобное взаимодействие, как и у всех остальных белков; но особенностью кератина являются дисульфидные связи-мостики [–S–S–], принадлежащие аминокислоте цистину.

Основной белок шелка шелкопряда - фиброин. Он состоит на 80% (первичная структура) из простейших аминокислот глицина, аланина, серина. Макромолекула содержит типичный повторяющийся фрагмент (блок Gly–Ala–Gly–Ala–Gly–Ser) и это пример регулярной блок-сополимерной структуры, часто используемой природой при биосинтезе белков фибриллярной структуры.

Такая первичная структура обуславливает пространственную конформацию (вторичная структура) и «необходимую» для выполнения жизненных функций этих белков надмолекулярную структуру. Надмолекулярная структура — антипараллельный складчатый лист (рис. 5); сами листы располагаются параллельно друг другу, образуя многочисленные пласты. Промежуток между складчатыми слоями составляет 0,35–0,57 нм, в которые могут поместиться только боковые группы глицина (Н) и серина (2ОН).

Рисунок 5

Как же образуются белки в организме тутового шелкопряда, потребляющего растительную пищу — листья тутовника, основное содержание которых, как и у всех растений — полисахариды, азотосодержащие соединения и, конечно, в небольшом количестве белки растительного происхождения? Это всё является сырьем для биосинтеза белков, из которых построен (фиброин и серицин) натуральный шелк. В листьях шелковицы белой, идущих в корм шелкопряду, обнаружены дубильные вещества (~ 3%), флаваноиды (~ 1%), кумарины, органические кислоты, эфирные масла, хлорофилл. Конечно, общая схема биосинтеза белков остается неизменной: из аминокислот по программе ДНК с активным участием РНК и ферментов на рибосомах. Но имеются и особенности, присущие шелкопряду.

Особую роль играют ферменты белкового обмена, принимающие участие в распаде и синтезе белков и аминокислот, образовании продуктов обмена (амины, кетокислоты, мочевина, аммиак), в специальных превращениях аминокислот (аргинин, метионин, тирозин, триптофан, тиоаминокислоты). Ферменты белкового обмена регулируют, контролируют концентрацию аминокислот, белков и биологически активных соединений и обеспечивают обмен веществ на уровне целого организма, они участвуют в большинстве процессов на клеточном уровне (пищеварение, биосинтез и др.). Ферменты белкового обмена играют важную и специфическую роль в биосинтезе белков (фиброин, серицин) шелкопрядом. Коконопрядущие насекомые – рекордсмены по интенсивности процессов азотного обмена и биосинтеза белков. На финише личиночной фазы развития белковый обмен у шелкопрядов подчинен одной физиологической цели: синтезу огромного количества белков для строительства кокона-усыпальницы. За 7–12 дней масса шелкоотделительных желез шелкопряда увеличивается примерно в тысячу раз, в организме насекомого в сутки вырабатывается около 150 мг фиброина. Такой удельной продуктивности не демонстрирует ни одно биологическое существо. Это прекрасный образец, прототип для биомиметики.

Шелкоотделительная железа шелкопряда состоит из двух отделов, специализирующихся на биосинтезе двух разных по первичной структуре белков (аминокислотный состав и структура блоков). В переднем (серициновом) образуется серицин, содержащий в основном аминокислоты серин, треонин, аспарагиновую и глутаминовую кислоты. В заднем отделе железы (фиброиновом) синтезируется фиброин, первичная структура которого состоит на 80–90% из остатков простых аминокислот глицина, аланина, серина, тирозина. Оба белка имеют не только разную первичную структуру, но и, как следствие, вторичную и третичную структуры и, конечно, разные свойства. И это понятно, так как природа задумала их для одной общей цели – построения кокона для куколки, но у каждого белка своя задача. Фиброин – это основной строительный материал кокона, а серицин – клей для скрепления нитей фиброина. Фиброина в составе кокона примерно 80%, поэтому аминокислоты, его составляющие (глицин, аланин, серин, тирозин), принято называть главными аминокислотами шелка.

Большой вклад в изучение специфического механизма биосинтеза фиброина и серицина шелкопрядом и роль в нем энзиматических систем внесли исследования профессора С. М. Клуновой с сотрудниками (см. литературу). В этих работах было показано, что образование белков происходит не только в шелкоотделительных железах, но они и аминокислоты поступают в железы из гемолимфы и жировых тканей насекомого.

Механизм биосинтеза фиброина и серицина включает синтез белков из аминокислот и протеолиза запасных белков организма под действием специфических ферментов. Эти специфические ферменты были выделены и доказана их роль в биосинтезе. Специфические ферменты белкового обмена определяют в значительной мере блочный характер (сочетание жестких и эластичных участков) и свойства этих белков. Специфика биосинтеза белков шелкопрядом не может быть в полной мере перенесена на синтез шелка пауками, которые питаются белковой пищей, в то время, как шелкопряд - вегетарианец. Но общие законы биосинтеза в живых организмах остаются неизменными.

Серицин - спутник фиброина.

Как было сказано ранее, в организме шелкопряда вырабатываются два белка: фиброин и серицин. Первый является объектом интересов текстильщиков на протяжении нескольких тысяч лет, а второй — спутник фиброина. Он до последнего времени рассматривался как загрязнение, от которого нужно избавиться, очистить от него шелк-сырец, в котором серицина содержится до 20%. Но у природы, в которой все продумано и целесообразно, серицин выполняет функцию склеивающего фиброин вещества — адгезива.

Удаляют серицин из шелка-сырца в специальной операции обесклеивания, которую проводят в слабощелочной среде. Операция эта построена на принципе «не навреди». И фиброин и серицин, и тот и другой - белки, но белки разные, с разной первичной, вторичной и третичной структурой, а, значит, и свойствами (отношение к щелочам, набухание, растворимость и т.д.). Так их сделала природа для выполнения функций жизнедеятельности шелкопряда. А химику-текстильщику, зная различие в свойствах этих двух белков (все белки не устойчивы к щелочному гидролизу), необходимо было подобрать мягкие условия (температура ~ 100°С, рН=8,5) для того, чтобы серицин растворился (щелочной гидролиз), а фиброин бы остался неповрежденным.

Но возникает новая проблема: серицин и другие сопутствующие вещества, содержащиеся в шелке, попадают в сточные воды и загрязняют их. А серицин, как стало известно в последнее время, очень интересный биологически активный продукт, находящий применение в медицине, косметике. Как говорится, полезно превращать «дефект в эффект». Итальянские специалисты, специализирующиеся на производстве шелковых нитей, разработали современную технологию очистки стоков при обесклеивании шелка и утилизации серицина с использованием ультрафильтрации и обратного осмоса.

Пауки и паучий шелк.

Теперь подошла очередь поговорить о пауках, как они живут и, главное, об их паучьем «Интернете – о паутине из ловчих (и не только) шелковых сетях из особого фиброина. Чтобы понять свойства паучьего шелка, необходимо познакомиться с очень разнообразной жизнью пауков. В отличие от тутового шелкопряда, существующего только в двух видах – дикого и окультуренного, очень похожих друг на друга – видов пауков очень много, образ жизни у них разный, и плетут паутину они для разных целей и разную по назначению, свойствам и, конечно, с разной структурой нитей и белковых составляющих. Общим с тутовым шелкопрядом у них то, что они в своем организме формируют фибриллярные белки фиброинового типа и прядут из него нити, но разного назначения.

Прежде чем перейти к более или менее серьезным вещам, приведем ироничную, но провидческую цитату из замечательной книги великого английского писателя Джонатана Свифта «Путешествие Гулливера в великую академию Лагадо планеты Лапута» (1727 г.). Этой книге предшествовала газетная заметка о том, что в 1710 г. один изобретательный француз, некий господин Бон, опубликовал брошюру, в которой доказывал возможность изготовлять чулки и перчатки из паутины (Pall Mall Gazzeta от 26 ноября 1898 г.).

Джонатан Свифт по этому поводу шутит, издевается над академическими учеными того времени. На длинном участке времени великий писатель оказался не прав: «переформатированный» с помощью генной инженерии паучий шелк сегодня находит применение в медицине, из него делают бронежилеты, сверхпрочные канаты и т.д.

Вот эта цитата Свифта: «Я вошел в следующую комнату, где стены и потолок были сплошь затянуты паутиной, за исключением узкого прохода для изобретателя. Едва я показался в дверях, как последний громко закричал, чтобы я был осторожнее и не порвал паутины. Он стал жаловаться на роковую ошибку, которую совершал до сих пор мир, пользуясь работой шелковичных червей, тогда как у нас всегда под рукой множество насекомых, бесконечно превосходящих упомянутых червей, ибо они одарены качествами не только прядильщиков, но и ткачей (текстильщик сказал бы вязальщиков). Далее изобретатель указал, что утилизация пауков позволит совершенно избавиться от расходов на окраску тканей, и я вполне убедился в этом, когда он показал нам множество красивых разноцветных мух, которыми кормил пауков и цвет которых, по его уверениям, необходимо должен передаваться изготовленной пауком пряже (нитям). И так как у него были мухи всех цветов, то он надеялся удовлетворить вкусам каждого, как только ему удастся найти для мух подходящую пищу в виде камеди, масла и других клейких веществ и придать таким образом большую плотность и прочность нитям паутины» (Джонатан Свифт. Путешествия Гулливера в Великую Академию Лагадо планеты Лапута. 1727 г.).

Свифт - это писатель, гражданин страны с наиболее развитой в то время текстильной промышленностью и технологиями колорирования текстиля. Он с юмором проходится и по колористам. Свифт предлагает сразу получать с помощью пауков окрашенную в разные цвета шелковую нить, скармливая им цветных мух. Великий сатирик считал, что «Каков стол - таков стул». Но этот принцип не всегда срабатывает. Мы с вами едим пищу разнообразных цветов и оттенков, а на финише результат практически одного цвета.

Теперь серьезно о пауках.

Пауки хоть и близки по ряду признаков к насекомым, но ими не являются и от них отличаются. У пауков 8 ног, у насекомых только 6 ног, но и те и другие членистоногие. Пауки — отряд класса паукообразных (произошли от крабообразных). Пауки - каннибалы, поедают друг друга и питаются насекомыми и мелкими животными (существуют пауки-птицеловы). Все пауки плетут сети, т.е. паутину и не только.

Название пауков Arachanoida идет от греческого Arache – паук, и связано с древнегреческой легендой (мифом) о девушке Арахне. Ну какой же миф, легенда без девушки–красавицы? Эта девушка была искусной ткачихой (вспомним жену Одиссея - Пенелопу, искусную прядильщицу). Девушка вызвала на соревнование покровительницу этого ремесла богиню Афродиту и выткала лучшую, чем богиня ткань. Этот поступок был опрометчив, с богами и сейчас в соревнования вступать опасно. Афина превратила девушку в паука и предписала ей и всему ее роду прясть паутину до скончания веков. Как говорится, Богу - богово, а ткачихе, прядильщице - плести паутину, авось в нее и боги когда-нибудь попадутся. Натуралисты насчитывают 30000 видов пауков, которые отличаются размером (0,1–0,5 см), средой обитания и образом жизни. Питаются пауки жидкими тканями насекомых, которых ловят в свои сети или бросаясь на жертву из засады. Обитают во всех широтах и на любой высоте, вплоть до склонов Эвереста (6700 м), некоторые виды могут жить под землей в норках и даже под водой. Некоторые виды пауков мигрируют на огромные расстояния с помощью паутины, превращенной в парашют, что позволяет им в компании друг друга на «ковре–самолете» из паутины парить над океаном и достигать далеких островов. Им не нужны крылья, пропеллер, а только легкая паутина–парус и попутный ветер.

Все пауки умеют секретировать фиброиновую нить. У пауков до 72-ух видов шелкоотделительных желез, производящих нити разного назначения:

- липкий шелк,

- для перемещения пауков,

- для крепежа,

- для ловли и заплетания жертвы,

- для коконов, в которых сохраняются яйца,

- для привлечения партнеров по спариванию.

Белок очень строгой блочной структуры (обеспечивает высочайшую прочность и одновременно эластичность - аналогов подобных волокон природных и рукотворных нет) синтезируется в особых железах в задней части брюшка и выдавливается в виде водной дисперсии (латекс) через паутинные бородавки (рис. 6). Некоторые пауки способны производить нити разного типа (толщина, морфология), предназначенные для разных целей.

Рисунок 6

Пауки по мере изменения внешних условий, а, следовательно, и целей, способны по ходу изменять вид паутины. Некоторые ученые приписывают паукам какие-то элементы разума. Пауки — исключительно хищные животные. При движении паук непрерывно выделяет паутину, через определенные расстояния крепит ее к твердой (вертикальной) поверхности (как альпинист бьет крючья в скале). В случае нештатной ситуации и альпинист, и паук повисают на тросе (нити) и могут опуститься, поджав ноги, до земли на крепкой и растяжимой нити. Паутина - идеальный по физико-механике трос для альпинистов.

Когда добыча попадет к пауку, он обвивает ее паутиной, впрыскивает в нее яд через специальные коготки и затем высасывает физиологическую жидкость. Алгоритм взят на вооружение спецслужбами: ловят жертву в сети (идеологические, сексуальные, наркотические, материальной заинтересованности), впрыскивают в нее психотропное вещество и после нескольких часов (протеолиз) высасывают информацию. Самая интересная особенность пауков, во всяком случае, для текстильщиков – это строительство (прядения, вязание) ловчих сетей. Формы сетей очень разнообразны, чрезвычайно красивы, особенно на ранней заре, когда в каждом узелке сети скапливаются бусинки росы и на солнце переливаются, как хрусталь или бриллиант. Способность конденсировать из атмосферы воду на паутине тоже взята на вооружение биомиметикой на случай попадания человека в безводные, засушливые места.

Все пауки плетут паутину по строгому алгоритму, сценарию, затрачивая на это огромную энергию, и время от времени отдыхают. Сеть служит, как правило, одну ночь, а на утро надо строить новую, т.к. прежняя частично разрушена жертвами-пленниками.

Можно выделить два экзотических вида пауков: птицеловов и живущих под водой.

Птицеловы - самые крупные виды пауков (длина туловища 5 см, размер ног — 18 см). Нити их сетей суперпрочные, поскольку необходимо поймать и удержать относительно тяжелую жертву (конечно, это маленькие птички). Водяные пауки способны бегать по поверхности стоячей воды и даже погружаться в воду, держась за водные растения.

Размножение и оплодотворение у пауков - весьма своеобразный процесс. Самки некоторых видов после спаривания поедают самцов (за ненадобностью, потомство уже обеспечено, а для следующего спаривания найдутся другие самцы). Поэтому самцы живут только до первого спаривания, а самки некоторых видов пауков живут по несколько десятку лет. Интересен вид пауков «черная вдова» - самые каннибалистые, особенно по отношению к своим партнерам по спариванию, которым они отгрызают голову во время соития.

Яйца самки пауков откладывают в паутинном коконе, который самка носит с собой («все свое ношу с собой») или прикрепляет к чему-нибудь твердому (к стене, к растению, камню и т.д.). Вылупившиеся из яиц паучки сразу приступают к плетению ловчих сетей или отправляются путешествовать по воздуху в поисках новых мест на парашютах из паутины.

Паутина пауков

Теперь о самом главном для нас — о паутине. Паутина — секрет желез пауков, который очень быстро при выходе из специальных отверстий (в наших терминах технологов — фильера) застывает на воздухе, превращаясь в прочную, гибкую и эластичную нить сложной наноструктуры. Удивительно для химика — полимерщика то, что будучи водными концентрированным раствором белка, фиброин паука, как и в случае фиброина шелкопряда, на воздухе после быстрого испарения воды формируется в уникальную надмолекулярную наноструктуру (самосборка - один из принципов нанотехнологий). Первичная блочная структура обуславливает самосборку на воздухе вторичной и третичной структуры паучьего фиброина. Первичная структура паучьего фиброина близка к первичной структуре шелкопряда, но первая значительно прочнее и растяжимее (200–400% разрывное удлинение, так она задумана).

Есть предположения, что это определяется тем, что пауки формируют нить, свисая на ней: создается своеобразная природная вытяжка, приводящая к ориентации макромолекул, уплотнению структуры и упрочнению волокна. Химики-волоконщики хорошо знают, что после фильеры все химические волокна проходят операцию вытяжки (3–5-ти кратную), что обеспечивает повышение их прочности за счет ориентации и уплотнения структуры. У шелка шелкопряда такого вытягивания нет и прочность волокна ниже. Да это ему и не нужно. Цель другая - свить кокон, не испытывающий деформационных разрывных напряжений.

Паутина - белок блочного строения, превосходит по прочности нить из стали равной толщины (~ 260 кг/ммг). Нить шелка толщиной с карандаш способна теоретически удерживать бомбардировщик, садящийся на палубу авианосца.

Первичная структура фиброина пауков шелкопряда построена в основном из простейших аминокислот глицина, аланина и серина. Выделяется, выдавливается жидкий белок фиброина через многочисленные прядильные трубочки на поверхности паутинных бородавок (чем не фильеры?). После формирования элементарных нитей нанодиаметра, паук переплетает их в более толстую нить, идущую на строительство паутины. Паучья нить проявляет способность без разрушения вращаться «бесконечно» с грузом (паук, жертва), т.е. имеет внутреннюю шарнирность.

Основное использование паучьего фиброинового волокна — ловчие сети. С помощью их происходит полное или частичное обездвиживание добычи. Конечно, в конструкции ловчей сети используются нити различного вида и свойств, т.к. они выполняют разные виды работ (рис.7).

Рисунок 7

Интересная функция у нитей — сперматофоры: с их помощью самцы перед размножением плетут сперматическую сеточку, на которую выделяют каплю семенной жидкости, а затем переносят ее в органы соития (на кончиках специальных ложеножек). «Озабоченные» самки некоторых видов в период размножения выделяют нить, маркированную феромоном — веществом с привлекающим запахом, по которому самец находит свою партнершу.

Нити паутины ловчей сети покрыты липким веществом, к которому добыча прилипает и не может вырваться из сети, старается выбраться и еще больше в ней запутывается, разрушая в некоторых местах паутину. Поэтому пауки ежедневно восстанавливают или плетут новую. Этот клей — суперадгезив по химическому строению, является гликопротеидом. Его химическое строение установлено, и ведется работа по созданию подобных суперадгезивов (биомиметика!).

Паутину пауков в народной медицине используют как кровеостанавливающее и ранозаживляющее средство. Курение сушеной паутины способно вызывать наркотическое действие. Можно сказать, что белок паутины обладает биологической активностью широкого спектра.

В заключение в таблице 1 приведем физико-механические свойства паучьего шелка по сравнению с высокопрочными синтетическими волокнами и стальной нитью. 

Таблица 1. Физико-механические свойства нитей паучьего шелка по сравнению с другими высокопрочными волокнами 

Как можно видеть, ловчая нить паучьего шелка по совокупности физико-механических характеристик превосходит все природные и химические волокна и стальные нити. Такие уникальные свойства паучьего шелка, конечно, привлекают внимание как объект для подражания (опять биомиметика).

Использовать пауков как мирного одомашненного тутового шелкопряда не удастся. Пауки – каннибалы, поедающие друг друга, и от них индустриально шелк не получить. Но в век генной инженерии задача решается с ее помощью по следующему очень сложному, наукоемкому сценарию: изучается, устанавливается и клонируется геном белков (спидрионов) паучьего шелка, затем «поручается» производить этот белок микроорганизмам бактерий (палочка или метилотрофные дрожжи) или растениям, тутовому шелкопряду, позвоночным (коза) и т.д.

При достаточной эффективности (производительности) продуцента белков спидрионов (паук–спайдер) встает задача уже не генной инженерии, а техническая: выделить белок, очистить, подобрать растворитель, условия прядения волокна. Эти задачи, конечно, сложные, но их сложность не идет ни в какие сравнения с проблемами генной инженерии. Но практические, коммерческие выгоды от решения проблемы производства волокон со свойствами паучьего шелка стали заманчивыми, что заставляет лучшие научные школы генных инженеров, био- и нанотехнологов работать в этом направлении.

В России такие работы ведутся командой ученых МГУ им. М.В. Ломоносова, института Генетики, института им. М. М. Шемякина РАН. Предполагается использовать такие волокна, учитывая их высокую прочность, эластичность, биологическую активность, в следующих направлениях: бронежилеты, парашютные стропы, тросы-ловушки для остановки самолетов на палубах авианосцев, в медицине как шовные нити, противожоговые повязки, лечебные аппликации и многое другое. В США белковые волокна генноинженерного производства выпущены на рынок.

Очень интересное, оригинальное и перспективное решение предложено и реализовано командой американских исследователей. Это можно назвать решением «обратной» задачи: им удалось с помощью транспозонной (транспозон - последовательность ДНК, способная перемещаться внутри генома - транспозиция) технологии поместить в ДНК тутового шелкопряда гены паука и «заставить» шелкопряда производить шелк со свойствами, близкими к паучьему.

В заключении можно сказать, что производство белковых волокон типа паучьего шелка как реализация принципов бионанотехнологии и биомиметики открывает принципиально новые пути создания полимерных материалов (волокна, пленки, гели и т.д.), когда принципы биомиметики решают задачу замены неэкологичных химических технологий на экологичные биотехнологии. И паучий шелк не останется в одиночестве.

Разрабатываются также:

- бактериальное производство микроволокон (0,05 мкм) целлюлозы;

- бактериальное производство хитина, хитин содержится в панцире крабов и в покрове многих насекомых, второй после целлюлозы по распространению в природ полисахарид.

Эти работы успешно ведутся учеными многих ведущих научных школ мира.

Часть 2.

Ю. В. Шевнин (инженер-изобретатель)

Медицинские повязки из паутины.

Технология сбора и использования паутины в медицине.

В связи с тем, что донорство является дорогим и имеющим большое количество ограничений направлением в медицине, ученые и врачи всего мира трудятся над разработкой альтернативных методов восстановления повреждений в организме человека.

Широкое распространение лекарственноустойчивых форм микроорганизмов, наличие у антибиотиков и химиопрепаратов токсических, аллергических и других побочных свойств диктует необходимость поиска новых нетоксичных препаратов, обладающих антимикробными действиями и стимулирующим влиянием на макроорганизм. В связи с этим получение из паутины противоожоговых повязок и бинтов является актуальной задачей современной медицины. Ожоги - одно из самых распространённых в мире травматических поражений. В России каждый год регистрируется более 600 тысяч ожогов. По количеству смертельных исходов ожоги уступают только травмам, полученным в автомобильных авариях.

Целью исследований является получение противоожоговых повязок и перевязочного материала из паутины. Шелк – более доступный материал и его производство уже существует. В то же время паутина для медицинских повязок и матриксов в скаффолд-технологии (scaffold-technology) (англ. scaffold— леса, подмостки, греч. techne— искусство, мастерство и logos - учение) - культивирование клеток на трехмерных подложках-носителях естественного или искусственного происхождения с целью пространственного формирования будущего клеточного органа или его фрагмента для трансплантата имеет большие перспективы в связи с особой топологией молекул паутины и структуры в целом.

По данным электронной микроскопии матриксы из фиброина шелка и рекомбинантного спидроина имели видимые отличия в форме пор и их толщине. Стенки пор в матриксах из фиброина имели более однородную структуру с чешуйчатой шероховатой поверхностью, в то время как матриксы из спидроина обладали более рыхлой конструкцией с перфорированной поверхностью. Внутренняя нанопористая структура матрикса из рекомбинантного спидроина объясняет его способность формировать более благоприятную микросреду для регенерации ткани в организме. Взаимосвязанность структур между собой является необходимым условием для равномерного клеточного распределения и эффективного прорастания ткани in vivo, так как способствует активному газообмену, доставке питательных веществ, а также правильному метаболизму.

Паутина в качестве биомедицинского материала используется потому, что:

- Паутина не имеет токсичности.

- Отсутствует иммунный ответ организма. Различные типы клеток исследовали на отсутствие иммунологического ответа на шелк. По сравнению с коллагеном, который используется в качестве биоматериала для покрытия, паутина имеет значительные преимущества.

- Паутина не создает воспаления. Тело не обнаружит шелк в качестве инородного материала, так как он состоит из гладкого слоя белка.

- Паутина может быть улучшена, чтобы стимулировать восстановление тканей в ране.

- Паутина превосходит шелк по причине большей топологической связанности и количества пор.

- Паутина медленно разлагается, что полезно для определенных медицинских применений.

- Паутина является сильным и стабильным материалом. Эластичность паутины благотворно влияет на рост и пролиферацию клеток.

- Паутина не набухает. Природа белков предотвращает большое поглощение воды.

- Нет бактериальной или грибковой деградации.

Об этих удивительных свойствах паутины было известно давно. Однако же обматывать шелковой нитью рану просто неудобно. В народной медицине есть такой рецепт: на рану или ссадину, чтобы остановить кровь, можно приложить паутину, аккуратно очистив ее от застрявших в ней насекомых и мелких веточек.

Паутина обладает кровоостанавливающим действием и ускоряет заживление поврежденной кожи. Хирурги и трансплантологи могли бы использовать ее в качестве материала для наложения швов, укрепления имплантантов и каркаса-основы для выращивания искусственных органов. Например, если взять раствор стволовых клеток, пропитать ими сетчатый каркас из паутины, они быстро приживутся на нем, к ним протянутся сосуды и нервы. Сама же паутина со временем бесследно рассосется. С помощью паутины можно существенно улучшить свойства множества материалов, которые в настоящее время применяются в медицине.

Например, паутина имеет электростатический заряд, который помогает паукам притягивать добычу. Эту заряженность паутины можно использовать и в производстве медицинских повязок. Паутина заряжена электроотрицательно, поврежденный участок тела электроположительно. Таким образом при взаимодействии раны с паутиной образуется электробаланс, что положительно сказывается на процессе заживления. Повязки с паутиной за счёт электростатического взаимодействия с раной вытягивают микроорганизмы из раны и удерживают их внутри самой повязки, не давая бактериям размножаться.

В паутине паука есть три вещества, которые способствуют его долговечности: пиролидин, гидрофосфат калия и нитрат калия. Пиролидин сильно впитывает воду. Это вещество предотвращает нити паутины от засыхания. Гидрофосфат калия делает паутину кислотной и предотвращает грибковый и бактериальный рост. Низкий рН вызывает денатурацию белков (делает их нерастворимыми). Нитрат калия предотвращает рост бактерий и грибков.

Повязка из паутины обеспечивает отток раневого экссудата и микроорганизмов от поверхности раны, угнетает патогенную микрофлору, обеспечивает противоотёчное действие, имеет противовоспалительный эффект, пропитанная анестетиком, обладает обезболивающим действием, создает оптимальные условия для протекания процессов заживления.

Из истории попыток производства паутины.

На протяжении сотен лет в Европе люди пытались построить фермы для получения паучьего шелка. В марте 1665 года луга и заборы вблизи Мерзебурга покрылись великим множеством паутины каких-то пауков, и из нее женщины окрестных селений понаделали себе лент и разных украшений.

В 1709 году Правительство Франции попросило Рене-Антуан де Реомюру найти замену китайскому шелку и попытаться применить паутину для изготовления одежды. Он собрал паутину из коконов пауков и пытался создать перчатки и чулки. Через некоторое время он отказался от этой идеи из-за недостатка материала, чтобы сделать только одну пару перчаток.

Академия избрала комиссию, которой поручила подробно изучить рентабельность производства паутины. Реомюр, член этой комиссии, нашел паутину вполне пригодным сырьем для промышленного производства, но решил, что местные (французские) пауки не плетут нитей нужной длины. Он подсчитал: надобно обработать 522–663 паука, чтобы получить один фунт паутинного шелка. А для промышленного производства потребуются полчища пауков и тучи мух для их пропитания – больше, чем летает их над всей Францией. «Однако,– писал Реомюр,– может быть, со временем удастся найти пауков, которые дают больше шелка, чем те, какие обычно встречаются в нашем государстве». Таких пауков нашли, это были Nephila. Недавно из их паутины соткали накидку весом более килограмма.

Там, где обитают эти замечательные пауки, в Бразилии и на Мадагаскаре, местные жители паутину для пряжи, платков, накидок и сачков собирают на кустах или разматывают яйцевые коконы. Нить тянут прямо из паука, которого сажают в коробочку — из нее торчит лишь кончик его брюшка с паутинными бородавками. Из бородавок и вытягивают нити паутины.

Разными методами и от разных пауков экспериментаторы получали, например, нити такой длины: 1) за два часа от 22 пауков — пять километров, 2) за несколько часов от одного паука — 450 и 675 метров, 3) за девять «размоток» одного паука в течение 27 дней — 3060 метров.

Аббат Камбуэ исследовал возможности мадагаскарского паука Goleba punctata. Аббат так усовершенствовал свое дело, что живых пауков в маленьких выдвижных ящичках «подключал» прямо к ткацкому станку особого образца. Станок тянул из пауков нити и тут же ткал из них тончайшую ткань. Пауков Goleba punctata пробовали акклиматизировать во Франции и у нас в России. Но ничего из этого не вышло.

В широкое производство паутина Nephila едва ли когда-нибудь поступит: для содержания Nephilaили крестовиков требуются специальные фермы. Хотя летом их можно содержать на лоджии или на балконе. Поэтому паутинные ткани в 12–14 раз дороже шелка, изготовленного из коконов гусениц.


Производство паутины сегодня.

Для решения этой многовековой задачи необходим современный комплексный подход и создание паукам и насекомым оптимальных условий, максимально приближенных к природным.

В 20-м веке с появлением химических пестицидов и синтетических тканей о полезных насекомых и пауках забыли. Однако только лишь пестициды не решили проблему вредителей сельскохозяйственных культур. Была разработана стратегия сохранения биологического разнообразия – это интеграция полезных насекомых и пауков обратно в систему сельскохозяйственных культур для природной борьбы с вредителями.

Сегодня с целью создания новых рабочих места в России требуется новая стратегия по снижению посевов монокультур и строительства миниферм не только для выращивания позвоночных животных, но и для выращивания пауков и насекомых. Это можно делать и в городах.

Проблема использования органических отходов городов сегодня стоит особенно остро. Эти отходы нужны для питания насекомых. В городах есть лишь небольшие фермы по выращиванию сверчков, тараканов и зофобаса. Пауков разводят немногие энтузиасты — киперы. В то же время подвалы и чердаки, где в основном обитают пауки, для утилизации органических отходов и для выращивания личинок насекомых и пауков никак не используются.

Цель новой сельскохозяйственной стратегии — экологический способ хозяйствования, увеличение биоразнообразия и получение дохода от строительства и эксплуатации небольших семейных ферм для разведения насекомых и пауков. Насекомые, пауки, их яд и паутина могут продаваться и на экспорт.

Специализирующиеся на выращивании личинок мух провели комплексное сопоставление личиночного и мясомолочного производств по нескольким параметрам, включая энергетические затраты, кормоотдачу, площадь используемых земель и эмиссию парниковых газов. Личинки оказались на недостижимой высоте, относительно всех традиционных видов животных. Этому исследованию посвящено много докладов и рекомендаций Продовольственной и сельскохозяйственной организации Объединенных Наций.

Синтезировать паутину химическим путем невозможно - слишком сложное строение белков. От попыток синтеза паутины отказались все ведущие фирмы мира. Несколько лабораторий продолжают работу и пытаются получить паутину из дрожжей, бактерий и даже коз. Все эти подходы требуют очень сложного оборудования и больших финансовых затрат. При этом в результате паутина у них получается совсем другого качества, уступает по прочности и по антибактериальным свойствам. Объемы паутины, изготовленной в таких лабораториях, очень скромные. Их иногда показывают по телевизору, держа образцы синтетической паутины, размером с ноготь, в пинцете.

Для сбора паутины от живых пауков тоже отказались. Эту идею предлагали неоднократно. Препятствий оказалось несколько. Неуживчивость пауков и склонность к каннибализму: при совместном содержании они враждуют и поедают друг друга. Большинство пауков производят очень мало паутины. Подсчитано, что для производства 500 г паутины потребуется 27 тысяч пауков среднего размера, по другим данным для получения 500 г паутины потребуется 700 пауков-крестовиков. Четырнадцать тысяч пауков рода Nephila дают примерно 28 грамм паутины. По другим данным для получения 29 грамм паутины требуется около 23000 пауков. Пауки-крестовики за 24 часа продуцируют 230 мг. паутины. Такая разница в цифрах говорит о том, что достоверных данных нет. Данные о производительности пауков требуют подтверждения. Не известно, пауки какого вида и «среднего размера» вырабатывали паутину для взвешивания.

Другое препятствие или недостаток при разведении пауков можно и нужно превратить во благо: склонность пауков к каннибализму способствует к созданию для них изолированных друг от друга контейнеров и тем самым позволяет предотвратить эпидемии и массовую смертность.

Для изготовления медицинских материалов и лекарств из паутины нужно использовать не пауков-крестовиков и рода Nephila, а пауков с самими большими паутинными придатками Linothele megatheloides и других двуххвосток.

В результате исследования были получены данные, что пауки рода Linothele megatheloides за месяц продуцируют более 2 г паутины. У них имеются для этого длинные (более 20 мм) паутинные придатки. Эти органы имеют более тысячи микрофильер, через которые нити паутины выходят подобно пленке. 

Сначала их паутина послужила для создания противоожоговых повязок. В результате использования этой паутины на ожоге заживление происходило в течение недели. При этом не требовалось дополнительных перевязок и удаления гноя. Автор проделал этот эксперимент над собой. Через две недели даже не осталось следов ожога.

Посаженные в специальный контейнер Linothele megatheloides уже через час начинают свою работу и слой за слоем в течение месяца покрывают паутиной текстильную подложку контейнера размером 1 кв. м. За два месяца паутины от одного паука Linothele megatheloides хватит для покрытия паутиной всей поверхности человеческого тела. Значит жизнь человека, получившего страшные ожоги, будет спасена с минимальной энергией и на основе только органических материалов. Инновационный медицинский материал с паутиной позволяет спасти жизнь человека с ожогами более 60% всей поверхности тела. Успех лечения зависит от уникальных свойств используемых повязок и бинтов из паутины.

Проводя эти исследования было установлено, что благодаря специальным добавкам к питанию приплод и выживаемость потомства Linothele megatheloides составляют 100%. Это в среднем 50 молодых пауков-производителей «второй кожи» за полгода. На кормление одной самки уходит 2-3 таракана в неделю. Условия содержания пауков - это отсутствие солнечного света, высокая влажность 80-90 %, температура 28 градусов, капельное опрыскивание паутины раз в неделю и комплексное питание. При создании благоприятных условий кормления, содержания, ухода и «доения» пауков можно добиться резкого (в 2-3 раза) увеличения паутинопрядения пород пауков.

Изготовление повязок и бинтов из паутины Linothele megatheloides.

Трикотажная сетчатая основа (например, марля с влажностью более 80 %) укладывается на дно полиэтиленового контейнера. Контейнер имеет датчики влажности и температуры, подъемную крышку, капиллярную форсунку и клапан для подачи живого корма.

Раз в месяц контейнер открывают, паука сажают в небольшой полиэтиленовый контейнер, удаляют остатки корма, текстильную подложку с паутиной опрыскивают раствором гиалуроновой и пантотеновой кислоты, анестетика и антисептика, накрывают полиэтиленовой стрейч-пленкой и скручивают. В последующем рулон вместе с паутиной разрезается на 10 частей и пакуется в герметичную упаковку. Упакованные рулоны отправляют на радиационную стерилизацию. Паука выпускают обратно в большой контейнер. Контейнеры располагаются вертикально, образуя блок высотой 1,5-2 метра.

Накладывается такая повязка путем размотки и снятия полиэтиленовой прослойки, паутиной на рану или ожог. Когда паутина и текстильная основа пропитается лимфой, текстильная основа снимается и на ране остается только заживляющий и дышащий слой паутины. После того, как человек вылечит свою рану пластырем с паутиной, он уже больше никогда не будет убивать этих замечательных животных.

Повышение продуктивности по выработке паутины.

С целью увеличения выработки паутины, исключения болезни живого корма, тараканы и сверчки получают добавку к питанию в виде питательной среды, дополнительного источника белка и витаминов, которая содержит мицелиальную биомассу отходов, мицелий пенициллинового и стрептомицинового производства, обездрожженную барду из отходов производства пивных дрожжей. Питательная среда хранится до двух лет при температуре +5°С. Для питания насекомых мелко нарезанную морковь и капусту вываливают в измельченной питательной среде. Поедая такой корм, тараканы и сверчки не болеют, быстро растут и размножаются. Это выросшие на мицелиальной биомассе «активаторы» жизнедеятельности пауков. Пауки на таком корме увеличивают выработку паутины на 60%. Применение мицелиального питания позволяет стимулировать размножение пауков и получать паутину в максимально возможных количествах. Для создания такой фермы по сбору паутины предлагается дизайн-проект в виде круглого шатра диаметром 12 м с покрытием, работающим на растяжение, аналогично работе паутины.

С развитием этого экологического способа создания медицинских повязок и бинтов возможны эксперименты по выведению более продуктивных гибридов пауков семейства Dipluridae. Внутривидовая гибридизация, селекция и специальное питание в комфортных условиях не исключают генетические эксперименты по увеличению размеров пауков. Пока этим никто не занимается, а в обществе индивидуальных разводчиков пауков эта тема – табу. Производить молоко с помощью грибов и бактерий возможно, только зачем, когда есть коровы? Паутина по структуре гораздо сложнее белковой структуры молока. Поэтому все поиски синтетических аналогов паутины могут затянуться на время эволюции пауков. Новые виды, полученные путем генетической модификации, и селекционная работа с семейством Dipluridae позволит увеличить размер пауков и их продуктивность по выработке паутины для производства одежды. Паутину можно обрабатывать силиконом и получать ткань для верхней одежды, которая будет иметь уникальные свойства. Она будет не дороже шелка.

Моя исследовательская работа создает основу нового вида животноводства, на этой основе возможно масштабировать производство паутины по низкой цене, а, значит, коммерциализировать его. Потребность рынка составляет 400 тыс. дм2/год биорезорбируемых раневых покрытий. Прогнозируемая емкость рынка в данном сегменте 150 млн. $.

Масштабировать проект можно как увеличением производства, так и созданием миниферм по производству паутины. Никакого сложного оборудования, высоких температур, высокого давления и токсичных материалов для такого варианта технологии не требуется. В настоящее время, например, пчеловодством занимаются около 5 тыс. хозяйств и 300 тыс. пчеловодов-любителей, фермеров и индивидуальных предпринимателей. Мед могут употреблять не все, а медицинские повязки или пластыри с паутиной пригодятся всем. Пока технология будет развиваться, сертифицироваться, можно предложить всем желающим самим выращивать пауков и собирать паутину. Для стерилизации можно использовать лампу с ультрафиолетом. Чтобы обеспечить себя двумя квадратными метрами паутины, потребуется один контейнер с самкой Linothele megatheloides в доме и два месяца. Самка Linothele megatheloides живет 10 лет. На садовом участке можно поставить утепленный паучатник размером 3 на 6 метров с двумя помещениями. В одном можно заготавливать сырье, а в другом изготавливать нити из паутины, ткать полотно и шить одежду. Отходов у такой минифабрики просто нет.

Из старых оболочек, сброшенных пауком во время линьки, можно изготавливать сувениры и украшения, заливая их полимерной смолой. Из голов умерших пауков можно извлекать яд для изготовления лекарства. Пострадавшие и больные получат новое лекарство – натуральную кожу и каждый желающий сможет создать такое минипроизводство.

Патентов и сертификатов на эту тему исследования я получать не собираюсь. Пусть эти знания будут доступны всем.

Рекомендуемая литература.

1. Э.Э.Руперт, Р.С.Фокс, Р.Д.Барнс. Зоология беспозвоночных. Т.3.Членистоногие. «Академия», 2008.

2. H.G.Borner, H.Kuhne, J.Hentschel Macing. Smart polymer. Smarter Willey Intersec. J.Pob.Sci.Parta. 01.01.2000.

3. Hagn, Franz et al. A conserved spider silk domain acts as a molecular switch that controls fibre assembly. Nature. May 13, 2010.

4. Christopher M. Dobson. Protein folding and misfolding. Nature. Vol. 426, 18/25, December 2003.

5. Fritz Vollrath, David P. Knight. Liquid crystalline spinning of spider silk. Nature. Vol. 409, 29, Match 2001.

6. Exler J. H. et al. The amphiphilic properties of spider silks are important for spinning. Angew Chem Int Ed Engl, 46, 2007, 3559262.

7. Hardy, J. G.; Roemer, L. M.; Scheibel, T. R. Polymeric Materials Based on Silk Proteins. Polymer 2008, 49, (20), 4309–4327.

8. В.Г. Дебабов, В.Г. Богуш. Природные волокна для будущего. Природа, №2, 1999 г. (http://vivovoco.rsl.ru/VV/PAPERS/NATURE/SPIDER.HTM)

9. F.Vollrath, D.Porter. Spider silk as archetypal protein elastomer. Soft Matter 2; 2006, 3772385.

10. W.R.Marcotte. Recombination dragline silk2like protein — expression and purification. Clenson Univ. p.1–7.

11. D.Brown. Scientists strengthen sick by mixing in metal. The Washington Post, apr. 27, 2009.

12. J.G. Hardy, T.R.Scheibel. Composite materials based on silk proteins. ProgressinPolymerScience, 35 (9), 1093–1115.

13. Клунова Светлана Михайловна. Ферменты белкового обмена коконопрядущих насекомых : Дис. ... д2ра биол. наук :

03.00.04 Москва, 2005 498 с.

14. Кричевский, Г.Е. Нано-, био-, химические технологии в производстве нового поколения волокон, текстиля и одежды / Г.Е. Кричевский. – М.: – 2011. – 528 с.


Комментарии:

Пока комментариев нет. Станьте первым!