Rozciąganie pajęczej jedwabistości sprawia, że jest ona silniejsza poprzez wyrównanie łańcuchów białkowych.

7 marca 2025 roku

Ten artykuł został zweryfikowany zgodnie z procesem redakcyjnym i politykami Science X. Redaktorzy podkreślili następujące cechy, zapewniając wiarygodność treści:

zweryfikowane fakty

publikacja z recenzją naukową

zaufane źródło

sprawdzona

przez Northwestern University

Gdy pająki tkanie swoich sieci, używają tylnych nóg do wyciągania nici jedwabiu ze swoich przędzalnic. To działanie wyciągania nie tylko pomaga pająkowi uwolnić jedwab, ale jest także kluczowym krokiem w wzmacnianiu włókien jedwabiu dla bardziej wytrzymałej sieci.

W nowym badaniu badacze z Northwestern University odkryli, dlaczego rola rozciągania jest tak ważna. Poprzez symulowanie jedwabiu pająka w modelu obliczeniowym, zespół odkrył, że proces rozciągania ustawia łańcuchy białkowe wewnątrz włókien i zwiększa liczbę wiązań między tymi łańcuchami. Oba czynniki prowadzą do silniejszych, bardziej wytrzymałych włókien.

Zespół zweryfikował te przewidywania obliczeniowe poprzez eksperymenty laboratoryjne z zastosowaniem inżynieryjnego jedwabiu pająka. Te wnioski mogą pomóc badaczom w projektowaniu inżynieryjnych białek inspirowanych jedwabiem oraz procesów przędzenia do różnych zastosowań, w tym do mocnych, biodegradowalnych szwów i wytrzymałej, wysokowydajnej, ochronnej pancernej odzieży.

Badanie ukazało się w Science Advances.

„Badacze już wiedzieli, że to rozciąganie, czyli rysowanie, jest niezbędne do uzyskania naprawdę mocnych włókien” - powiedział Sinan Keten z Northwestern, starszy autor studium. „Ale nikt niekoniecznie wiedział dlaczego. Dzięki naszej metodzie obliczeniowej byliśmy w stanie zbadać to, co dzieje się na poziomie nanometrycznym, aby uzyskać wnioski, które nie mogą być dostrzeżone eksperymentalnie. Mogliśmy zbadać, w jaki sposób rysowanie ma się do właściwości mechanicznych jedwabiu”.

„Pająki wykonują proces rysowania naturalnie” - powiedział pierwszy autor badania, Jacob Graham z Northwestern. „Gdy wyplatają jedwab z gruczołu jedwabiu, pająki używają tylnych nóg, aby złapać włókno i wyciągnąć je. To rozciąga włókno w trakcie jego formowania. Sprawia to, że włókno jest bardzo silne i bardzo elastyczne. Odkryliśmy, że możesz zmodyfikować właściwości mechaniczne włókna po prostu zmieniając ilość rozciągania”.

Fuzhong Zhang, współautor badania i profesor Washington University (WashU) w St. Louis, od kilku lat inżynieruje mikroby do produkcji materiałów z jedwabiu pająka. Poprzez wyciskanie inżynieryjnych białek jedwabiu pająka, a następnie rozciąganie ich ręcznie, zespół opracował sztuczne włókna podobne do nici z oprzędnicy jedwabniczki złocistej, dużego pająka o spektakularnie silnej sieci.

Mimo opracowania tego „przepisu” na jedwab pająka, badacze wciąż nie do końca rozumieją, w jaki sposób proces przędzenia zmienia strukturę i wytrzymałość włókien. Aby odpowiedzieć na to otwarte pytanie, Keten i Graham opracowali model obliczeniowy do symulowania dynamiki molekularnej w sztucznym jedwabiu Zhang'a.

Poprzez te symulacje zespół Northwestern badał, w jaki sposób rozciąganie wpływa na układ białek wewnątrz włókien. Konkretnie, zajmowali się tym, jak rozciąganie zmienia kolejność białek, połączenie białek między sobą i ruch cząsteczek wewnątrz włókien.

Keten i Graham odkryli, że rozciąganie sprawiło, że białka ułożyły się w rzędzie, co zwiększyło ogólną wytrzymałość włókna. Zauważyli również, że rozciąganie zwiększyło ilość wiązań wodorowych, które działają jak mostki między łańcuchami białek tworzącymi włókno. Zwiększenie ilości wiązań wodorowych przyczynia się do ogólnej wytrzymałości, wytrzymałości i elastyczności włókna, stwierdzili badacze.

„Gdy włókno jest wytłaczane, jego właściwości mechaniczne są właściwie dość słabe” - powiedział Graham. „Ale gdy jest rozciągnięte do sześciokrotnie większej początkowej długości, staje się bardzo mocne”.

Odkryj najnowsze osiągnięcia nauki, technologii i kosmosu z ponad 100 000 subskrybentów, którzy polegają na Phys.org dla codziennych wglądów. Zapisz się na nasz bezpłatny biuletyn i otrzymuj aktualizacje dotyczące przełomów, innowacji i badań, które mają znaczenie - codziennie lub tygodniowo. Aby potwierdzić swoje obliczenia, zespół użył technik spektroskopii do zbadania, jak łańcuchy białek rozciągały się i układały w rzeczywistych włóknach od zespołu WashU. Wykorzystali również testy rozciągania, aby zobaczyć, jak dużo rozciągania mogły wytrzymać włókna przed rozerwaniem. Wyniki eksperymentalne zgadzały się z przewidywaniami symulacji. "Jeśli nie rozciągniesz materiału, będziesz mieć te kuliste kleiste formy białek", powiedział Graham. "Ale rozciąganie zamienia te kleiste formy w bardziej połączone sieci. Łańcuchy białek układają się na siebie, a sieć staje się coraz bardziej połączona. Spętane białka mają większy potencjał do rozluźnienia i przedłużenia przed rozerwaniem włókna, ale początkowo rozciągnięte białka powodują, że włókna są mniej rozciągliwe i wymagają więcej siły, aby się rozerwać." Choć Graham kiedyś uważał pająki za tylko straszne robale, teraz widzi ich potencjał do pomocy w rozwiązywaniu realnych problemów. Zauważa, że inżynieryjna jedwabina pająka stanowi silniejszą, biodzegradacyjną alternatywę dla innych materiałów syntetycznych, które są głównie pochodzenia petrochemicznego. "Na pewno patrzę teraz na pająki w nowym świetle", powiedział Graham. "Kiedyś uważałem je za kłopoty. Teraz widzę je jako źródło fascynacji." Więcej informacji: Jacob Graham et al, Charting the envelope of mechanical properties of synthetic silk fibers through predictive modeling of the drawing process, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adr3833. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr3833 Informacje o czasopiśmie: Science Advances Dostarczone przez Uniwersytet Northwestern