Ученые химико-биологического кластера петербургского Университета ИТМО разработали гибридный материал с флуоресцентными свойствами из натуральной паутины и наночастиц.
Ученые выяснили, что делает паутину такой крепкой
Процесс плетения паутины уникален для каждого вида пауков и может быть связан с их способностями охотиться или создавать убежища. Паутины могут быть разными из-за различий в строении и функциях разных видов пауков. Каждый вид пауков имеет свою специфическую технику плетения паутины, которая определяется их физиологией, поведением и потребностями. Например, пауки-кругопряды плетут сложные и регулярные геометрические паутины, предназначенные для ловли добычи, в то время как пауки-лисицы часто плетут сплошные паутины, которые служат им как укрытия и убежища.
Кроме того, пауки могут менять свой стиль плетения в зависимости от внешних условий, таких как наличие добычи или уровень опасности.
Почти все эти нити могли бы найти широкое применение в промышленности и быту, если бы удалось наладить их широкое производство. Однако «приручить» пауков, как тутовых шелкопрядов, организовать своеобразные паучьи фермы вряд ли возможно: агрессивные привычки пауков и черты единоличника в их характере вряд ли позволят это сделать. А для производства всего 1 м ткани из паутины требуется «работа» более 400 пауков. Можно ли воспроизвести химические процессы, проходящие в теле пауков, и скопировать природный материал?
Ученые и инженеры уже довольно давно разработали технологию кевлара — арамидного волокна: получаемого в промышленных масштабах и приближающегося по свойствам к паутине. Волокна из кевлара в пять раз слабее паутины, но все же настолько прочны, что их используют для изготовления легких пуленепробиваемых жилетов, защитных шлемов, перчаток, канатов и др. Но кевлар получают в среде горячих растворов серной кислоты, в то время как пауку требуется обычная температура. Химики пока не знают, как приблизиться к таким условиям. Однако к решению материаловедческой проблемы приблизились биохимики.
Сначала были выявлены и расшифрованы паучьи гены, программирующие образование нитей того или иного строения. Сегодня это касается пауков 14 видов. Затем американские специалисты из нескольких исследовательских центров каждая группа самостоятельно ввели эти гены бактериям, пытаясь получить нужные белки в растворе. Ученые канадской биотехнологической фирмы «Нексиа» ввели такие гены мышам, затем перешли на коз, и козы стали давать молоко с тем самым белком, который образует нить паутины. Летом 1999 г.
Эта порода хороша тем, что потомство становится взрослым уже в трехмесячном возрасте.
Хотя полученный материал не дотягивает по прочности до паутины, его ключевое отличие в других экспериментальных материалов в натуральности и нетоксичности всех его элементов. Кроме того, его можно изготавливать при комнатной температуре. Также новый материал не уступает по упругости амортизирующему шнуру, чем могут похвастаться лишь несколько синтетических аналогов паутины.
Разобрав и собрав их по иному принципу, команда ученых получила столь необычный материал. Исследователи использовали проточную методику сборки.
Её суть заключается в том, что дистиллированная вода течет в крайне узких протоках, шириной всего лишь 1 мм. Течение помогает CNF выстраиваться в правильном направлении и самоорганизовываться в плотно упакованные пучки. Полученный материал является прочным, жестким, легким. Также, технологию легко масштабировать для практического использования. Кроме того, это самый прочный биоматериал, полученный на сегодня.
Объект исследований - паутина
| Биологи определили молекулярную структуру паутины | Проникая сквозь структуру белка паутины, металл делает каждую нить в 10 раз прочнее. |
| Исследование показало, почему паутина не гниет | Прочная, упругая и эластичная: такие свойства делают паутину интересным материалом не только для биологов, но и для проектировщиков. |
| Ученые выяснили, что делает паутину такой крепкой | «Искусственная паутина», которую вырабатывают модифицированные с помощью генной инженерии дрожжевые грибы, обладает высокими заживляющими свойствами. |
| Паутина прочнее стали: ученые с помощью генной инженерии получили уникальный материал | Если большинство пауков прядет цилиндрические нити, то паутина этих по факту плоская, как лента — это облегчило исследование под мощным микроскопом. |
Ученые из университета ИТМО выяснили, что паутина может залечивать раны
Волокно, которое пауки используют для своей паутины, производится специальными брюшными железами. Пауки плетут паутину, в которую попадают насекомые и которым выбраться из нее практически невозможно. О том, из чего состоит (сделана) паутина, а также какова толщина, прочность и состав нити. Это вещество помогает паутине противостоять действию грибков и бактерий. В итоге специалисты пришли к выводу, что содержащийся в паутине азот делает её неудобной пищей для бактерий. Прочная, упругая и эластичная: такие свойства делают паутину интересным материалом не только для биологов, но и для проектировщиков.
Новости отрасли
Из школьного курса биологии известно, что пауки обладают уникальной способностью делать очень прочную паутину. Это вещество помогает паутине противостоять действию грибков и бактерий. Это вещество помогает паутине противостоять действию грибков и бактерий. Среди ученых далеко не новость, что паутина состоит из нановолокон.
Как пауки делают паутину
Поэтому мы и видим, как вода цепляется за паутину именно отдельными каплями. На сегодняшний день специалисты хотят создать недорогие биоматериалы, которые могли бы имитировать структуру натурального паучьего шёлка. Учёные при помощи этих материалов планируют собирать влагу, которая возникает из-за тумана в засушливых районах. Профессор Юнмей Чжэн и её коллеги изготавливают подобные материалы при помощи погружения гладкого искусственного волокна в полимерную жидкость. Эта жидкость затем высыхает таким образом, что на ней образуются выпуклости, подобные тем, которые есть на паутине.
Предполагалось, что белки «ждут» процесса создания паутины в виде «строительных блоков» — сферических мицелл наноразмера. Исследователи попытались воссоздать весь процесс и синтезировать синтетические волокна, однако те не обладали прочностью паутины.
Используя новейшие технологии, в том числе спектроскопию ядерного магнитного резонанса, а затем электронную микроскопию, ученые смогли более точно установить, что именно происходит внутри паутинной железы. Оказалось, что мицеллы имеют более сложную структуру, а сборка белка происходит намного запутаннее, чем предполагалось ранее. Ученые смогли дополнить и модифицировать теорию мицелл.
Роль паутины в жизни паука Паутина — это не только ловчая сеть, которой паук опутывает свою жертву. Ее роль гораздо важнее. Самки используют ее для привлечения самца, оставляя на нитях феромоны. Самцы аранеоморфных пауков в преддверии брачного периода плетут особую сперматическую сетку, на которую выделяют семенную жидкость для последующего переноса в особый резервуар на передних конечностях-щупальцах педипальпы.
Они же являются органом совокупления. Из паутины также ткутся яйцевые коконы. Некоторые из них имеют очень сложную барьерную структуру. Бактериостатические свойства паутины защищают яйца от воздействия плесневых грибков, бактерий и высыхания. Еще одна причина, зачем паукам нужна паутина — это защита. Взрослые особи прячутся в паутинных коконах в периоды линьки. В это время они наиболее уязвимы, а плотный воздухопроницаемый чехол надежно защищает от внешних факторов.
Водяные пауки создают из паутинных нитей кокон для сбора пузырьков воздуха. Многие виды устилают волокнами стены своего жилища, оплетают вход в него. Из паутинных нитей пауки создают страховочные структуры в месте своего обитания и охоты, чтобы цепляться в случае падения. Пауки-кругопряды из паутины и мелкого мусора скатывают муляж и подвешивают его на ловчую сеть в качестве приманки. Паук периодически поедает паутину обычно при ремонте повреждений. Есть 2 версии, почему он это делает: 1 — восполнение белка в организме, 2 — получение воды, оседающей во время осадков. Паутина служит и для распространения популяции.
Молодые паучки некоторых видов по осени покидают свои гнезда на тонких паутинных канатиках, переносимых ветром. При ближайшем рассмотрении паук представляет собой уникальную прядильную мини-фабрику и интереснейший объект для наблюдения. Это хищники, которых не удалось заставить производить шелк для человеческих нужд, как шелкопрядов. Ученые близки к созданию подобных нитей в искусственных условиях, но эта цель пока не достигнута. Оцените статью.
У пауков определили 28 генов, кодирующих 28 структурных белков паутины — спидроинов. Часть из этих белков уже была известна, часть ученые открыли впервые.
Спидроины были классифицированы по семи категориям в зависимости от их последовательностей и функций. Например, есть спидроины, которые делают паутину хорошо растяжимой, другие позволяют скреплять нити паутины друг с другом, а третьи делают ее особо липкой, чтобы ловить на нее добычу. В основе нити паутины лежит особая белковая структура. Ее первичный повторяющийся «мотив» — аминокислотная последовательность. Ученые нашли 394 таких мотива.
Откуда пауки берут паутину?
Из чего состоит паутина и какими свойствами она обладает? Круглая паутина средних размеров имеет более тысячи точечных соединений, а для её изготовления требуется более двадцати метров паутинного шёлка, что делает конструкцию не только очень легкой, но и невероятно прочной. Паутина остается на месте благодаря прилипанию к поверхности, и это позволяет пауку успешно поймать свою жертву. Предполагалось, что белки «ждут» процесса создания паутины в виде «строительных блоков» — сферических мицелл наноразмера.
Наука в вопросах и ответах
Японские специалисты преодолели эту трудность. Они сформировали растворимые протеины, используя генетически модифицированные бактерии пауков Nephila clavipes. Этот подход позволил изучить структуру растворимых белков. Биологи искали повторяющиеся домены в структуре протеина и нашли два вида.
Первый — случайные катушки, составляющие 65 процентов; второй — конформация polyproline type II helix PPII helix , занимающая 24 процента.
Паутину могут выделять и другие паукообразные, например, паутинные клещи и ложноскорпионы. Однако подлинного мастерства в плетении паутины достигли именно пауки. Ведь важно не только уметь делать паутину, но и производить ее в большом количестве. Кроме того, «ткацкий станок» должен быть расположен в том месте, где им удобнее пользоваться. У ложноскорпионов и паутинных клещей сырьевая база паутины располагается... В условиях борьбы за существование преимущество получают животные, у которых голова утяжелена мозгами, а не паутиной.
Такими и являются пауки. Брюшко паука - самая настоящая паутинная фабрика а прядильные устройства — паутинные бородавки — образованы из атрофированных брюшных ног на нижней стороне брюшка.
Фото Командой специалистов из британского Института Фрэнсиса Крика и датского Ольборгского университета п... Да, в самое ближайшее время - 44.
Именно на нее и попадаются жертвы пауков — чтобы добыча не смогла освободиться, хищник быстро к ней прибегает и впрыскивает яд. Эти вещества превращают внутренности попавшихся в сеть насекомых в питательную массу, которую пауки просто всасывают в себя. Строение паутины Как пауки ходят по паутине? Если паук наступит на ловчую сеть, он легко может в ней запутаться. Чтобы этого избежать, членистоногие касаются их только кончиками ног, которые покрыты большим количеством волосков — они уменьшают площадь контакта с клейкими веществами. Вдобавок к этому, конечности пауков обладают определенной долей маслянистости, что препятствует приклеиванию. Когда паутина уже полностью готова, хищники вовсе стараются ходить только по радиальным нитям.
Пауки не запутываются в паутине, потому что знают, как правильно по ней ходить Как пауки создают сложную структуру паутины? По данным научного издания Science Alert , недавно ученые из Университета Джона Хопкинса использовали камеру ночного видения и искусственный интеллект, чтобы проследить за каждой из восьми конечностей пауков во время плетения сети. По словам исследователя Эндрю Гордуса Andrew Gordus , во время прогулки с сыном он задумался: как крошечный мозг пауков позволяет им плести настолько сложные узоры?