Международная группа ученых раскрыла молекулярный секрет, который наделяет паучий шелк его знаменитым сочетанием прочности и гибкости. Это открытие не только открывает путь к созданию новых биоматериалов для авиации, защитного снаряжения и медицины, но и дает неожиданные подсказки для понимания таких нейродегенеративных заболеваний, как болезнь Альцгеймера.
Паучий шелк, используемый для создания каркаса паутины и страховки, давно восхищает ученых своими уникальными свойствами. При равном весе он прочнее стали и эластичнее кевлара – материала, из которого делают бронежилеты. Этот природный материал формируется в специальных железах паука, где белки хранятся в виде густого жидкого концентрата. При необходимости паук вытягивает из этой жидкости твердые волокна с поразительными механическими характеристиками.
Долгое время оставалось загадкой, как именно происходит этот переход от жидких белковых капель к сверхпрочной нити. Чтобы разгадать эту тайну, команда химиков, биофизиков и инженеров из Королевского колледжа Лондона и Университета штата Сан–Диего применила комплексный подход, включающий компьютерное моделирование и методы ядерного магнитного резонанса.
Исследование, опубликованное в журнале «Proceedings of the National Academy of Sciences», показало, что ключевую роль играют две аминокислоты – аргинин и тирозин. Они взаимодействуют друг с другом, действуя как молекулярные «наклейки», которые заставляют белки шелка сцепляться на самых ранних стадиях. Важно, что эти связи не исчезают при затвердевании волокна, а продолжают работать, формируя сложную наноструктуру, которая и обеспечивает материалу его исключительные качества.
«Потенциал применения огромен – от легкой защитной одежды и компонентов самолетов до биоразлагаемых медицинских имплантов и даже мягкой робототехники», – подчеркивает Крис Лоренц, профессор Королевского колледжа Лондона. По его словам, эти природные принципы могут лечь в основу создания нового поколения высокопроизводительных и экологичных волокон.
Неожиданно для самих исследователей, открытие вышло за рамки материаловедения. «Нас удивило, что шелк – который мы привыкли считать простым природным волокном – на самом деле использует очень сложный молекулярный трюк», – говорит Грегори Холланд из Университета штата Сан–Диего. Выяснилось, что аналогичные взаимодействия аминокислот используются в рецепторах нейромедиаторов и при передаче гормональных сигналов в организме человека.
Эта параллель имеет прямое отношение к изучению нейродегенеративных заболеваний. Механизм, при котором белки паучьего шелка сначала группируются, а затем формируют упорядоченные структуры, напоминает процессы, наблюдаемые при болезни Альцгеймера, когда белковые бляшки накапливаются в мозге. Изучение паутины дает ученым модель для понимания того, как можно контролировать эти процессы, что в будущем может помочь в разработке новых методов лечения.
