Биомиметические материалы: Лучше, чем у пауков
Добавлено: 20.02.2009, 16:39
Биомиметические материалы: Лучше, чем у пауков
Как извлечь что-то полезное, изучая паутину
Инженеры, ставящие задачу найти практическое применение аккумулированной мудрости эволюции, воплощенной в биологических материалах, не устают восхищаться шелком – особенно той его разновидностью, которая является продуктом жизнедеятельности пауков. Нить паутины прочнее стали, и при этом ее можно растянуть на 40% первоначальной длины – только после этого она разорвется. Кроме того, в паутине представлено несколько видов шелка – например, радиальные нити имеют иной химический состав, нежели хордовые, поскольку они должны выдерживать другие механические напряжения и деформации.
Сложность использования продуктов эволюции в том, что они возникли для службы нуждам выработавших их созданий, а не человека. Поэтому для того, чтобы превратить их в полезные материалы, необходима инженерная "доработка". Именно этим и занимаются Дэвид Каплан и его коллеги из Университета Тафтса.
В ходе предыдущих исследований были обнаружены последовательности ДНК внутри генов протеинов паучьего шелка, которые проявляются в разных свойствах конечных продуктов. Наиболее важные из них – это гидрофильность (склонность к взаимодействию с водой), гидрофобность (способность отталкивать воду) и способность спонтанно образовывать соединения с другими протеинами и таким образом образовывать более крупные и сложные структуры.
Отталкиваясь от этого, д-р Каплан задумался о возможности получить искусственный шелк с рядом новых свойств – в дополнение к тем, что существуют в природе. Как пишет ученый в своей работе "Биомакромолекулы", он обнаружил, что это возможно. Меняя последовательность и количество гидрофильных, гидрофобных и структуроорганизующих частей ДНК, а затем используя бактерии для превращения этих искусственных генов в протеины, он и его коллеги получили около двух десятков новых разновидностей шелка.
Кроме того, ученые научились делать так, чтобы протеины образовывали соединения не только в воде, но и в пропаноле (разновидность спирта). Благодаря сочетанию в каждом новом протеине и гидрофобности, и гидрофильности результирующие материалы часто получаются разными при использовании различных растворителей – несмотря на то что в их основе находятся одни и те же протеины.
В частности, исследователи обнаружили, что те структуры, которые в обычном паучьем шелке (который формируется в водной среде) должны были оставаться разреженными и похожими на пленку, в пропаноле уплотнялись до состояния тончайших волокон и шариков. Ученые считают, что подобные шарики можно использовать в качестве капсул для лекарств. При инъекции таких капсул в кровь можно добиться распределенного во времени действия лекарства по сравнению с не очень благоприятным "ударным" его действием при обычной инъекции.
Некоторые более прочные и водостойкие виды шелка можно будет применить для пропитки синтетических волокон и специальных легких материалов, которые называются гидрогелями, чтобы усилить их прочность и водостойкость. Получаемые таким путем более эластичные материалы можно будет использовать для покрытия и упрочнения поверхностей, усиления биологически совместимых пластмасс, применяемых в хирургии, а также для создания прочных и легких материалов для авиационной промышленности, где вес имеет первостепенное значение. Если все это удастся реализовать, то, вероятно, скоро будет "сплетено" новое семейство полимеров с весьма полезными свойствами.
© 2009 The Economist Newspaper Limited.
20 февраля 2009г.
magazine.rbc.ru/economist/20/02/2009/281925.shtml
Как извлечь что-то полезное, изучая паутину
Инженеры, ставящие задачу найти практическое применение аккумулированной мудрости эволюции, воплощенной в биологических материалах, не устают восхищаться шелком – особенно той его разновидностью, которая является продуктом жизнедеятельности пауков. Нить паутины прочнее стали, и при этом ее можно растянуть на 40% первоначальной длины – только после этого она разорвется. Кроме того, в паутине представлено несколько видов шелка – например, радиальные нити имеют иной химический состав, нежели хордовые, поскольку они должны выдерживать другие механические напряжения и деформации.
Сложность использования продуктов эволюции в том, что они возникли для службы нуждам выработавших их созданий, а не человека. Поэтому для того, чтобы превратить их в полезные материалы, необходима инженерная "доработка". Именно этим и занимаются Дэвид Каплан и его коллеги из Университета Тафтса.
В ходе предыдущих исследований были обнаружены последовательности ДНК внутри генов протеинов паучьего шелка, которые проявляются в разных свойствах конечных продуктов. Наиболее важные из них – это гидрофильность (склонность к взаимодействию с водой), гидрофобность (способность отталкивать воду) и способность спонтанно образовывать соединения с другими протеинами и таким образом образовывать более крупные и сложные структуры.
Отталкиваясь от этого, д-р Каплан задумался о возможности получить искусственный шелк с рядом новых свойств – в дополнение к тем, что существуют в природе. Как пишет ученый в своей работе "Биомакромолекулы", он обнаружил, что это возможно. Меняя последовательность и количество гидрофильных, гидрофобных и структуроорганизующих частей ДНК, а затем используя бактерии для превращения этих искусственных генов в протеины, он и его коллеги получили около двух десятков новых разновидностей шелка.
Кроме того, ученые научились делать так, чтобы протеины образовывали соединения не только в воде, но и в пропаноле (разновидность спирта). Благодаря сочетанию в каждом новом протеине и гидрофобности, и гидрофильности результирующие материалы часто получаются разными при использовании различных растворителей – несмотря на то что в их основе находятся одни и те же протеины.
В частности, исследователи обнаружили, что те структуры, которые в обычном паучьем шелке (который формируется в водной среде) должны были оставаться разреженными и похожими на пленку, в пропаноле уплотнялись до состояния тончайших волокон и шариков. Ученые считают, что подобные шарики можно использовать в качестве капсул для лекарств. При инъекции таких капсул в кровь можно добиться распределенного во времени действия лекарства по сравнению с не очень благоприятным "ударным" его действием при обычной инъекции.
Некоторые более прочные и водостойкие виды шелка можно будет применить для пропитки синтетических волокон и специальных легких материалов, которые называются гидрогелями, чтобы усилить их прочность и водостойкость. Получаемые таким путем более эластичные материалы можно будет использовать для покрытия и упрочнения поверхностей, усиления биологически совместимых пластмасс, применяемых в хирургии, а также для создания прочных и легких материалов для авиационной промышленности, где вес имеет первостепенное значение. Если все это удастся реализовать, то, вероятно, скоро будет "сплетено" новое семейство полимеров с весьма полезными свойствами.
© 2009 The Economist Newspaper Limited.
20 февраля 2009г.
magazine.rbc.ru/economist/20/02/2009/281925.shtml