Мышцы сильнее кевлара. Симбиоз синтетики и природы.

Синтетическое мышечное волокно, из которого можно будет сделать одежду или даже защитное снаряжение. Источник.

Биология является отличным источником вдохновения при разработке материалов, поскольку природа производит просто умопомрачительное их разнообразие, и при том весьма искусно. А в сравнении с нашими находками, её «обычные» решения подобного толка отличаются высокой эффективностью, экологичностью, и дешевизной в плане сырья. Вспомните, например, исключительную прочность шёлка, затвердевающий биссус мидий (клейкие прочные нити, которыми моллюски прикрепляется к подводному рельефу) или упругость натурального перламутра тех же головоногих и двустворчатых моллюсков. По многим характеристикам эти натуральные материалы превосходят наши лучшие альтернативы, и вот теперь наука снова оглядывается на природу.

Это может звучать несколько странно, но (вполне возможно – в не столь уж далёком будущем) мода может испытать новый виток энтузиазма дизайнеров, вызванный удивительной возможностью использовать в производстве одежды из ткани на основе настоящих мышечных волокон. Да-да, здесь нет ошибки. И хотя стоит сразу пресечь возможные негодования зоозащитников и прочих экоактивистов – в результате таких модных тенденций ни одно животное не пострадает, – тем не менее… Вы бы носили одежду из мышц? Могли бы ими заменить шнурки или другие виды креплений на обуви, а может быть и брючный ремень?.. Даже представлять не хочется. Хорошо, что на самом деле всё не так жутко, как может показаться 😊

Итак, в науке есть такое понятие, как сконструированные микробы. Это такие специально выращиваемые микроорганизмы с заданными свойствами, которые довольно успешно используются в производстве множества низкомолекулярных соединений. И хотя в этом они весьма выручают, в прямом микробном производстве полимеров с высокими механическими характеристиками существуют свои сложности, из-за чего оно остаётся очень ограниченным.

Но команда исследователей инженерной школы МакКелви при Вашингтонском университете в Сент-Луисе преодолела часть этих преград, разработав метод синтетической химии для полимеризации белков внутри созданных микробов. 

Достижение вылилось в способность микробов производить высокомолекулярный мышечный белок тайтин, который затем превращался в волокна. И знаете что? Эти волокна могут выдержать большее напряжение на разрыв, чем хлопок, легендарный шёлк, нейлон или даже кевлар.

«Его производство может быть дешёвым и масштабируемым. Это может иметь множество применений, о которых люди помышляли раньше, но с использованием натуральных мышечных волокон, – говорит Фучжун Чжан, профессор Департамента энергетики, окружающей среды и химической инженерии. – Теперь эти приложения могут быть реализованы без необходимости использования реальных тканей животных».

Тайтин – синтетический мышечный белок, производимый в лаборатории, – это один из трёх основных белковых компонентов ткани мышц, критичным для механических свойств которого является большой размер его молекулы. «Это самый крупный из известных в природе белков», – поясняют Кэмерон Сарджент, аспирант отделения биологических и биомедицинских наук (первый автор статьи,опубликованной в журнале Nature Communications), и Кристофер Боуэн, выпускник факультета энергетики, экологии и химической инженерии.

По словам профессора Чжана, в исследовательских и инженерных кругах мышечные волокна вызывают интерес уже довольно давно. Попытки разработать материалы со свойствами, аналогичными мышечным, предпринимались неоднократно и спектр их назначений виделся довольно широким – в той же в мягкой робототехнике, например. «Мы задавались вопросом: «Почему бы нам просто не создать синтетические мышцы?» – рассказывает он. – Но мы не собираемся забирать их у животных, мы будем использовать для этого микробы».

Однако в столь тонком – и при том амбициозном – деле без нюансов, конечно, не обойтись. Некоторые проблемы, обычно мешающие бактериям продуцировать крупные белки, были решены целенаправленной разработкой бактерий, которые объединяют меньшие сегменты белка в полимеры сверхвысокой молекулярной массы размером около двух мегадальтонов (то есть 2000 атомных единиц массы). Для наглядности: это примерно в 50 раз больше размера среднего бактериального белка. 

Но это далеко не всё. Для получения искомого результата нужно было объединить белки в волокна. Чтобы добиться толщины нити в десять микрон (это примерно одна десятая диаметра человеческого волоса), исследовательская группа применила метод так называемого мокрого прядения.

При участии коллег Янг Шин Джун, профессор кафедры энергетики, окружающей среды и химической инженерии, и Синан Кетен, профессор кафедры машиностроения Северо-Западного университета, структуры волокон были проинспектированы на предмет свойств и определения особенностей молекулярных механизмов. Именно они являются источником уникальных сочетаний той самой исключительной прочности, сопротивления и демпфирующей способности. И даже способности преобразовывать механическую энергию в тепло рассеивать его.

Таким образом, посредством использования биосинтетического подхода и природы микробов, был получен новый высокоэффективный материал, который демонстрирует не только прочность и жёсткость выше, чем у многих наших искусственных фаворитов, но также и наиболее желательные механические свойства натуральных мышечных волокон. А главное – быстрое механическое восстановление.

Помимо модной одежды или защитной брони (раз уж эти волокна жёстче кевлара – основы, популярной среди прочего в производстве пуленепробиваемых жилетов), Сарджент считает, что новоявленный рекордсмен имеет множество биомедицинских перспектив. Своё мнение он обосновывает просто: несмотря на то, этот материал является синтетическим, он почти идентичен белкам, содержащимся в натуральной мышечной ткани. А значит вполне разумно предположить в нём биосовместимость. Если эта догадка оправдается, такие нити могут быть отличным расходником для операционных швов, применяться в тканевой инженерии и так далее.

Исходя из своего успеха, исследовательская группа Чжана предвкушает появление в будущем множества уникальных материалов, которые станут возможными благодаря разработанной сейчас стратегии микробного синтеза, и не намерена ограничиваться лишь синтетическими мышечными волокнами. 

«Прелесть системы в том, что это действительно платформа, которую можно применять где угодно, – говорит Сарджент. – Мы можем брать белки из разных природных контекстов, затем помещать их на эту платформу для полимеризации и создавать более крупные и длинные белки для различных материалов с большей устойчивостью».

АРМК, по материалам Университета Вашингтона