Будущее за шелком из паутины: история материала, который учились производить тысячи лет

В 1709 году Франсуа Ксавье Бон де Сент Илер, президент суда по счетам, пошлинам и финансам в Монпелье во Франции, подарил королю-солнце Людовику XIV пару носков из паутинного шелка, сделанных из сотен тщательно отобранных коконов. «Сейчас единственная сложность — процесс добычи необходимого количества коконов, чтобы сделать что-то стоящее», — написал Бон в письме, адресованному королевскому обществу Британии в том же году. Тремя столетиями позже сложность (не такую уж несущественную) удалось решить, и некоролевские особы впервые получили возможность купить себе предмет одежды из паутинного шелка — галстук, покрашенный в цвет морской волны, выпущенный ограниченным тиражом в пятьдесят экземпляров компанией Bolt Threads, занимающейся биотехнологиями.

Конечно, пауки уже давно производят шелк для своих целей. Если верить Полу Хиллиарду, автору книги «Частная жизнь пауков» (Private Life of Spiders), впервые это было замечено в штате Нью-Йорк на месте раскопок Девонского сланца, которому 380 миллионов лет: в этом месте палеонтологи нашли окаменелую брюшную часть паука, напоминающую лейку душа с двадцатью отверстиями, через которые древние пауки выделяли шелковые волокна, чтобы затем соединить их в одну нить. С тех пор пауки развили семь разных шелковых желез. Самцы пауков-крабов ткут гроздевидный шелк, которым связывают самок перед спариванием; самки ткут трубчатые коконы; пауки-каменщики выделяют особые липкие капельки, с помощью которых создают навесные люки из слоев земли и шелка.

Но самым практичным является похожая на пузырь форма (или каркасная нить), которую пауки задействуют для спуска и укрепления паутин. Вместе эти разные шелка используются в производстве самых разных вещей: водолазных капсул, навесов и даже камуфляжа. «Небольшое неаккуратно выглядящее пятно белого шелка можно принять за птичий помет», — пишет Хиллиард.

Но человеку далеко до искусности самих пауков, если говорить про использование паутинного шелка. Древние греки, по догадкам ученых, использовали коконы в качестве бинтов, а рыбаки Новой Гвинеи сплетали паутину пауков-кругопрядов в сети. В швейной промышленности использовались более слабые нити тутовых шелкопрядов. Бон объяснил это предрассудками человечества насчет «омерзительных насекомых», но правильнее было бы сказать, что пауков оказалось сложно приручить.

Бон замечает, что «разведение молодых пауков в комнате всегда заканчивалось одинаково: они вели себя враждебно и, в конце концов, съедали друг друга». Что досадно, ведь паутинный шелк — чудесный материал. Известный своей прочностью, он может быть крепче стали и более устойчив к разрыву, чем кевларПрочная ткань из армидового волокна.

Паутинный шелк обладает исключительной эластичностью и легкостью. Некоторые шелка могут вытягиваться в пять раз от своей изначальной длины, прежде чем порвутся, а нить достаточно длинная, чтобы окружить Землю, весила бы не больше фунта. Пауки — способные химики, которые часто наделяют свои шелка влагоотводящими и противогрибковыми свойствами.

Привлеченные такой перспективой, некоторые предприимчивые любители шелка попытались пойти по стопам Бона — и все до единого наткнулись на проблему масштаба. Анатом времен гражданской войны, Берт Грин Уайлдер, известный тем, что он первым стал использовать в печати термин «нейрон» (а также коллекционированим мозга в банках), заявил, что смог получить 150 ярдов золотой нити, сплетенных большим пауком-шелкопрядом, во время службы в Фолли-Айленд в Южной Калифорнии.

Воодушевившись, Уайлдер начал разрабатывать машину для изъятия шелка, которая напоминала крохотные средневековые колодки: подвешенная деревянная доска закрепляла голову и лапы паука с одной стороны и брюшко с другой, а ручная катушка извлекала шелк. Это было хитроумное изобретение, но Уайлдер позже признал, что для того, чтобы сшить одно платье, потребуется шелк с пяти тысяч пауков. Прошло сто лет, но наука так и не продвинулась в этой области. В 1982 исследователи из Северокалифорнийского Университета публиковали журналы, описывавшие «аппарат и технику для принудительного изъятия шелка из пауков» —фактически улучшенную версию устройства Уайлдера, в которой можно было разместить дюжины арахнидов.

Полотно из золотой нити. Источник: Ecouterre.

Затем в 90-х наступила революция в генетике, а вместе с ней и возможность наделить менее агрессивные виды ДНК для производства паутинного шелка. Больше не требовалась ферма шелкопрядов; подходили генетически модифицированные кишечная палочка, дрожжи, ростки табака и даже козлы. Остатки стада BioSteel-козлов, профинансированных Министерством обороны, сейчас находятся в Университете Юты, так как компания, разводившая их для производства паутинного шелка, объявила себя банкротом.

Проблема была в том, что даже после вычеркивания живых пауков из уравнения процесс оставался, как говорил Дэн Видмайер, генеральный директор и соучредитель Bolt Threads, «трудоемким». Компания решила производить шелк при помощи пивных дрожжей, получившихся в результате брожения в емкостях из нержавеющей стали с водой и сахаром. Генетическое секвенирование, отвечающее за производство, задействовало две из четырех молекул, составляющих ДНК, и это означало, что процесс был повторяющийся,и его было легко нарушить. Экспериментировать с последовательностями с целью заставить дрожжи выделять разные виды белка шелка было сложно.

Видмайер подсчитал, что Bolt проработала с четырьмя тысячами формул с момента основания в 2009 году. «Затем, когда вы закончили брожение и у вас появился этот прекрасный белок, встает проблема извлечения его в высоком качестве, чтобы затем задействовать белок в качестве сырья для пряжи», — рассказывает он. Другими словами, дрожжи должны были выйти совершенно определенные — чтобы они смогли выделять шелк, иначе Видмайеру и его коллегам пришлось бы собирать отдельные клетки.

Когда белки шелка отделялись от насыщенной сахаром и дрожжами воды в бродильных емкостях, они проходили очистку и превращались в порошок. «Смесь напоминала один из протеиновых напитков», — заметил Видмайер. В порошок затем добавляли раствор, пока он не становился таким же вязким, как резиновый клей; получившаяся масса называется прядильным раствором, и ее можно продавить через фильер, чтобы получить волокна.

В природе паук использует механизм «тяни-толкай», чтобы превратить свой прядильный раствор в нить: внезапное понижение кровяного давления заставляет вязкий белок шелка выйти из отверстий на брюшной полости, затем паук собирает капли в пряди при помощи лап и веса.

«Многие рутинные и затянутые процессы во время пряжи могут пойти не так», — сказал Видмайер. Любые поправки, которые влияют на очистку белка, вязкость, кислотность и температуру, могут превратить прядильный раствор в липкую массу, из которой получатся капельки, а не нити. Поэтому Видмайер гордится, что его компании удалось произвести 50 галстуков, в каждом из которых есть 90 километров каркасной паутинной нити.

Источник: Gearhungry.

Bolt Threads и компания-банкрот, разводившая BioSteel-козлов, не единственные стремились получить паутинный шелк методами генной инженерии. В прошлом году японская фирма Spiber задействовала кишечную палочку для производства единственной парки для The North Face, а Adidas скооперировалась с AMSilk, немецкой компанией, работающей с биоматериалами, чтобы сделать пару кроссовок из паутинного шелка. Но Bolt выиграла гонку в коммерческом производстве даже при том, что галстуков получилось мало и компании пришлось выбирать покупателей при помощи лотереи.

Они также пытаются понизить воздействие на окружающую среду. Текстильная промышленность в сравнении с другими секторами выделяет самую загрязненную воду (в основном — из-за синтетических красителей), поэтому Bolt работают над штаммом дрожжей, который сможет давать как шелк, так и цвет.

Видмайер сказал, что в долгосрочной перспективе его цель — «отучить» дрожжи от кукурузного сахара и «приучить» к сахару, полученному на базе целлюлозы из макулатуры, опилок и нечистот. Сейчас биотехнологические волокна оказывают меньшее влияние на окружающую среду, чем последняя новинка в индустрии — полученные в результате нефтехимической обработки материи, вроде нейлона или спандекса.

Компания выйдет за рамки не только в плане производства галстуков, но и в плане использования шелка. «В какой-то степени называть материал паутинным шелком — пережиток старого времени, — объяснил Видмайер. — В конечном счете мы создаем искусственные белковые волокна, имеющие особые поперечные сечения, текстуру и свойства, из-за чего они могут быть похожи на что угодно — шерсть, нейлон или совершенно новый материал».

В будущем биошелк может использоваться в производстве самых разных вещей, например, военной брони или лекарственных упаковок, но сам Видмайер мечтает о простом: о лучшем, более долговечном и удобном свитере. «Конечно, это не космический лифт, — сказал он. — Просто мне этого очень хочется».

Источник.

Материалы по теме:

Эти 6 технологических правил будут определять наше будущее

10 профессий в биотехе, которые будут востребованы в будущем

Дилемма молодых ученых: уехать нельзя остаться?

11 невероятных материалов будущего