Молекулярные биологи из Университета штата Юта (США) впервые в мире сумели получить прочную прозрачную пленку на основе натурального пчелиного шелка. Открытие ученых помогает человечеству сделать шаг на пути к отказу от пластика в пользу полностью биоразлагаемых полимеров. Результаты работы опубликовал научный журнал SynBio.

Какие насекомые могут вырабатывать шелк

Большинство людей привыкли ассоциировать производство шелковых нитей исключительно с тутовым шелкопрядом или пауками. Однако в дикой природе эта способность развивалась независимо друг от друга по меньшей мере 23 раза. Шелк активно вырабатывают муравьи, осы и пчелы. Общественные виды, вроде шмелей и медоносных пчел, выстилают прочным белковым субстратом ячейки для будущего расплода в своих ульях. При этом около трех четвертей от всех существующих видов пчел ведут одиночный образ жизни и используют секрет для строительства индивидуальных защитных коконов.

Ведущий автор исследования доктор Оран Вассерман выбрал в качестве главного объекта изучения садовую синюю пчелу (Osmia lignaria). Личинка этого опылителя строит прочные продолговатые коконы. В отличие от шелкопряда, который мотает кокон из одной бесконечной нити, пчелиная личинка использует сложный архитектурный подход. Она последовательно прикрепляет выделения к стенкам гнезда, совершая характерные движения головой. В итоге получается многослойная конструкция, которая идеально удерживает влагу, обеспечивает баланс газообмена и спасает будущую пчелу от опасных паразитов.

Как шелк воссоздали в лаборатории

Главная сложность для науки долгое время заключалась в невозможности воссоздать этот материал вне тела насекомого. Сначала специалисты пытались вручную разматывать готовые пчелиные домики, но нити постоянно рвались. Тогда авторы проекта разработали уникальный неинвазивный метод. Они напечатали на трехмерном принтере специальные инкубационные системы, полностью имитирующие геометрию естественных полостей пчелиного гнезда.

Ученые ежедневно наблюдали за ростом подопечных и аккуратно перехватывали ценные волокна прямо изо рта личинки в тот самый момент, когда она только приступала к плетению. Такой щадящий подход никак не вредил насекомым, и они спокойно продолжали развиваться. Выделив чистые белки, биологи внедрили целевые пчелиные гены в специальный модифицированный микроорганизм. Лабораторная культура начала активно самостоятельно вырабатывать нужный протеин, который ученые затем очистили и отлили в прочные автономные пленки.

Материал нового поколения

Новый материал демонстрирует устойчивость к проколам, обладает антимикробными свойствами, дышит и сохраняет высокую гибкость. Биологические свойства полученного вещества делают его идеальным кандидатом для создания медицинских товаров нового поколения. В обозримом будущем на основе пчелиных белков планируют выпускать хирургические нити, передовые технические ткани и каркасы для искусственного выращивания человеческих органов.

Сейчас команда Орана Вассермана пробует соединить гены пчелиного шелка со слизью глубоководной рыбы миксины. Эта древняя бесчелюстная рыба в момент опасности выделяет липкий секрет, чьи белковые нити после высыхания по прочности догоняют паутину. Поскольку оба материала имеют схожую базовую молекулярную структуру, ученые рассчитывают синтезировать суперматериал, который объединит в себе лучшие защитные свойства наземных насекомых и обитателей океанского дна.