Vedci ho už dokážu produkovať vo veľkom prostredníctvom transgénnych kôz aj baktérie E. coli.
Ilustračný obrázok. Pavúk druhu Nephila clavata. Zdroj: iStockphoto.com
Pavúčie vlákno je najpevnejším vláknom v prírode. Je pevnejšie ako oceľ, môže byť pružnejšie ako guma, je antimikrobiálne a ešte aj recyklovateľné. Pochopiteľne, vedci už dlho hľadajú spôsob, ako zvýšiť jeho prirodzenú produkciu alebo ako ho napodobniť. Zaujíma sa oň textilný, stavebný, strojársky aj vojenský priemysel.
Unikátnosť pavúčieho vlákna spočíva v konštrukcii proteínov (bielkovín), z ktorých je zosnované, a tiež v spôsobe, akým do seba zapadajú. Ak by sme chceli využiť na veľkoprodukciu pavúčieho vlákna pavúky, bolo by to veľmi náročné aj nákladné. Na pavúčej farme by ich bolo treba chovať miliardy a museli by ju obsluhovať tisíce pracovníkov.
Avšak tím vedcov zo Švédskej univerzity poľnohospodárskych vied (SLU) a Karolínskeho inštitútu (KI) v Štokholme nadizajnoval umelé pavúčie proteíny s vlastnosťami, ktoré nedokážu dosiahnuť ani pavúky. Vlákna, ktoré z neho upriadli, sú rovnako tvrdé ako tie pavúčie. Štúdiu o tom zverejnili pred necelým mesiacom, je prístupná na portáli Wiley Online Library TU.
Ako vyrába materiál na pavúčie vlákno E. coli
Vedúca výskumu Anna Rising a jej kolegovia vďaka poznatkom o základných biologických princípoch a proteínovom inžinierstve využili, že pevnosť pavúčieho vlákna v ťahu je daná časťami proteínov, ktoré sa nachádzajú tesne pri sebe, ako keby boli zazipsované. Pavúky vylučujú svoje vlákna zo špeciálnych žľazových buniek. Aby proteíny, z ktorých vlákno pozostáva, neuviazli v membránach vnútri bunky, musia byť zbavené dlhých hydrofóbnych úsekov, čiže vodu odpudzujúcich zvyškov. Vedci si však uvedomili, že hydrofóbne zvyšky by mohli sprostredkovať tesnejšie spojenia v proteínových zipsoch, čo by im pomohlo vytvoriť silné umelé vlákno.
Pavúky patria k eukaryotom (viac o eukaryotických organizmoch sa dočítate TU). Ich bunky obsahujú menšie štruktúry, organely, ktoré sú obalené fosfolipidovými membránami. Baktérie sú, naopak, prokaryotické organizmy (viac sa o nich dočítate TU), ktoré nemajú membránové štruktúry. Vedci preto tieto proteíny nadizajnovali aj s hydrofóbnymi úsekmi a vložili ich do baktérií E. coli, vďaka čomu sa nemôže stať, že hydrofóbne zvyšky uviaznu vnútri bunky. Výsledkom sú umelé pavúčie vlákna so zvýšenou pevnosťou v ťahu a dva typy vlákien, ktoré sú rovnako pevné ako ťažné laná.
Pomôžu pavúky nahradiť textilné plasty?
„Pri pestovaní baktérií v bioreaktore sme dokázali vyprodukovať asi 9 gramov bielkovín na liter, čo je v súlade s požiadavkami na ekonomicky životaschopnú priemyselnú hromadnú výrobu,“ hovorí Anna Rising v článku na portáli SLU. „Proteíny, ktoré získame z jedného litra bakteriálnej kultúry, by stačili na upradenie 18 kilometrov dlhého vlákna,“ dodáva vedkyňa.
Tieto umelé vlákna majú potenciál nahradiť mnohé vlákna na báze plastov, ktoré sú nebezpečné pre životné prostredie a používajú sa napríklad v textilnom priemysle. Výskumníci teraz zväčšia výrobu, urobia analýzu trhu, zabezpečia patentové práva a založia spoločnosť, aby preskúmali trhový potenciál umelého pavúčieho hodvábu. Umožnil im to grant, ktorý získala Anna Rising od Európskej rady pre výskum (ERC Proof of Concept 2022).
Ilustračné foto. Zdroj: iStockphoto.com
Ako kozy produkujú pavúčí „hodváb“
Anna Rising sa zaoberá vývojom umelého pavúčieho vlákna od roku 2007, v USA sa pokúša ten istý problém vyriešiť Randy Lewis, profesor genetiky na Štátnej univerzite Utah, zhruba od začiatku tohto tisícročia.
Randy Lewis však využíva znalosti o genetike a metódu úpravy DNA, známu ako genetické nožnice, o ktorej sme písali napríklad TU. Prepojením určitých génov pre tvorbu kozieho mlieka s génmi pre tvorbu pavúčieho vlákna sa mu darí vyprodukovať oveľa väčšie množstvo vzácneho pavúčieho vlákna, ako by dosiahol prirodzenou cestou. „Jednoducho sme preniesli gén pre proteín pavúčieho hodvábu do genómu kôz a zaradili ho pod rovnaký systém bunkovej regulácie ako ostatné mliečne bielkoviny,“ vedec približuje, ako vyrába vzácny materiál v článku na portáli AFG, respektíve, ako ho vyrábajú spomínané kozy. Vzniká totiž len v ich vemene a len počas laktácie. Randy Lewis ho potom z kozieho mlieka vyextrahuje a experimentuje s jeho využitím.
Sieť z pavúčieho vlákna by mala zadržať loď
Zhruba desať rokov mal farmu, kde tieto transgénne kozy choval a ľudia sa na ne chodili pozerať. Potom však začala prekážať ochrancom zvierat, tak ju zrušil a vo svojom výskume pokračuje ďalej v tichosti v rámci univerzity. V spomínanom článku hovorí, že za viac ako 15 rokov chovu týchto kôz neboli nenaznačené nijaké zdravotné riziká, ktoré by im jeho experiment spôsoboval. Uvádza tiež, že všetko robí v súlade s predpismi pre transgénne zvieratá, nad ktorými má v USA dohľad Ministerstvo poľnohospodárstva a Úrad pre kontrolu potravín a liečiv.
Lewis má v pláne z vyprodukovaného pavúčieho vlákna vyrobiť napríklad podvodnú sieť, ktorá by bola schopná zachytiť nepriateľské lode. Jeho výskum preto spolufinancuje aj americké námorníctvo. S jednou súkromnou spoločnosťou zas pracuje na vývoji textilu z pavúčieho vlákna pre športové oblečenie do exteriéru a s ďalšou na vývoji textilu pre nepriestrelné vesty.
Zdá sa, že pavúčie vlákno by sa v budúcnosti mohlo stať žiadaným ekologickým materiálom, ktorý sa uplatní vo viacerých priemyselných odvetviach.
Zdroje: Wiley Online Library, SLU, AFN
