Materiał silniejszy niż stal
Nić konstrukcyjna pająka, tzw. dragline, jest w przeliczeniu na masę wytrzymalsza od stali i bardziej odporna na uszkodzenia niż Kevlar, używany w kamizelkach kuloodpornych. Tworzy ona szkielet pajęczyny i służy pająkom m.in. do przemieszczania się i podwieszania.
Od lat naukowcy próbują odtworzyć jej właściwości w warunkach laboratoryjnych. Jeśli by się to udało, mogłoby to zrewolucjonizować wiele branż od lotnictwa po medycynę.
Molekularne „lepiki”
Zespół badaczy z King’s College London oraz San Diego State University odkrył, że kluczową rolę odgrywają specyficzne oddziaływania między aminokwasami budującymi białka pajęczej nici. Szczególnie ważne okazały się aminokwasy arginina i tyrozyna, które działają jak molekularne „naklejki”. To one inicjują łączenie się białek w skupiska, a następnie pomagają utrzymać ich uporządkowaną strukturę w gotowym włóknie. Jak podkreślają autorzy badań, właśnie ta złożona nanostruktura odpowiada za niezwykłe właściwości mechaniczne pajęczej nici.
Od płynu do superwłókna
Proces powstawania nici zaczyna się w gruczole przędnym pająka. Białka są tam przechowywane w postaci zagęszczonego płynu, który następnie zostaje przekształcony w stałe włókno.
Wiadomo było wcześniej, że białka najpierw tworzą krople przypominające ciecz, ale brakowało wyjaśnienia, jak ten etap przekłada się na ostateczną strukturę materiału. Nowe badania pokazują, że te same oddziaływania molekularne, które inicjują grupowanie białek, pozostają aktywne także podczas formowania włókna.
Do odkrycia wykorzystano zaawansowane narzędzia, m.in. symulacje dynamiki molekularnej, modelowanie strukturalne AlphaFold3 oraz spektroskopię rezonansu magnetycznego.
Inspiracja dla przemysłu
Poznanie zasad działania pajęczej nici może pomóc w projektowaniu nowej generacji materiałów: lekkich, wytrzymałych i przyjaznych dla środowiska.
Potencjalne zastosowania obejmują:
- lekką odzież ochronną,
- elementy konstrukcyjne samolotów,
- biodegradowalne implanty medyczne,
- materiały dla tzw. miękkiej robotyki.
Badacze podkreślają, że odkrycie dostarcza ogólnych zasad projektowania, które mogą zostać wykorzystane przy tworzeniu wysokowydajnych włókien syntetycznych.
Niespodziewany związek z chorobami mózgu
Jednym z najbardziej zaskakujących wniosków z badań jest to, że podobne mechanizmy molekularne występują w organizmie człowieka. Proces, w którym białka pajęczej nici najpierw ulegają separacji fazowej, a następnie tworzą struktury bogate w tzw. β-harmonijki, przypomina zjawiska obserwowane w chorobach neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Alzheimera.
Badanie pajęczej nici daje więc naukowcom „czysty”, dobrze kontrolowany model, który może pomóc zrozumieć, jak powstają i jak można kontrolować tego typu struktury białkowe. Nowe odkrycia pokazują, że za pozornie prostym wytworem natury kryje się niezwykle zaawansowana chemia. Pajęcza nić może w przyszłości nie tylko inspirować inżynierów materiałowych, ale także wspierać badania nad jednymi z najpoważniejszych chorób współczesnej medycyny.
Źródło: King’s College London
