V komiksech Spiderman vrhá své pavoučí hedvábí podle libosti. Ve skutečném životě není výroba umělého – neboli syntetického – pavoučího hedvábí zdaleka tak snadná. Vědci však nyní našli způsob, jak tato pružná a přitom superpevná vlákna vyrobit.

„Nyní to můžeme dělat tak, jak to dělají pavouci,“ říká Anna Risingová.

Pracuje na Švédské univerzitě zemědělských věd v Uppsale a v Karolinském institutu ve švédském Stockholmu. Jako lékařská biochemička studuje chemické procesy důležité pro živé organismy. Rising se původně stal veterinárním lékařem. Poté ji zaujal problém výroby syntetického pavoučího hedvábí. Mohlo by být velkým přínosem pro medicínu, výrobu a dokonce i pro výrobu výstroje na ochranu vojáků.

Rising se spojila s až Janem Johanssonem, dalším lékařským biochemikem na těchto školách. Proteiny pavoučího hedvábí ho zaujaly kvůli jeho práci na Alzheimerově chorobě. Při této nemoci se v mozku shlukuje bílkovina. Tyto shluky blokují normální mozkové funkce a poškozují nervové buňky. A způsob, jakým se proteiny spojují, je v obou případech podobný.

Nápad na nový postup se vyvinul, když vědci studovali, co pavouci dělají přirozeně.

Každá molekula proteinu pavoučího hedvábí je jako dlouhý řetězec se třemi základními částmi. Nejdelší část má segmenty, které se stále dokola opakují (kterým se říká „repetice“). Kdybyste se na tuto dlouhou část podívali pod vysoce výkonným mikroskopem, vypadala by jako věže poskládaných kostek Lega spojených pružinami, vysvětluje Randy Lewis. Je biochemikem na Utah State University v Loganu a na projektu nepracoval. Plochy z kostek Lega zajišťují pevnost, poznamenává. Pružné části dodávají materiálu pružnost neboli roztažnost.

Na začátku této dlouhé části se nachází samostatná část proteinu pavoučího hedvábí. Další část se připojuje na konec. Hedvábné bílkoviny se mohou při spřádání hedvábí zaháknout za sebe. Tím vznikají dlouhá hedvábná vlákna.

Pavouci mají v břiše žlázy, které obsahují proteiny pro tvorbu hedvábí v roztoku na bázi vody. K výrobě syntetického pavoučího hedvábí potřeboval Risingův tým stavební kameny, které by vytvořily podobný výchozí protein.

Rising začal sběrem rybářských pavouků z Jižní Afriky. (Jejich vědecký název je Euprosthenops australis.) Poté spolu s Johanssonem a dalšími vědci studovali pavoučí hedvábí a jeho geny. Na základě toho zjistili, která část genetického kódu pavouka vytváří bílkovinu hedvábí. Aby vytvořili velké množství kopií těchto úseků DNA, použili proces zvaný polymerázová (Puh-LIM-ur-ace) řetězová reakce neboli PCR.

Risingova a Johannssonova skupina pak tento genetický materiál vložila do kousků své DNA, které by se snadno dostaly do bakterií. Bakterie tyto kousky přidaly do své DNA a mohly nyní vytvářet části přírodního hedvábí. Byl tu však jeden problém. Malá množství, která vyrobily, nebyla příliš rozpustná ve vodě. To znamenalo, že by je tým nebyl schopen přimíchat do roztoku na vodní bázi, jaký je obsažen v hedvábných žlázách pavouků.

Podobnou práci mezitím provedli čínští vědci s asijským pavoukem Araneus ventricosus. Obě skupiny spojily své síly a navrhly hybridní protein. Z každého druhu pavouka vybrali ty části, které by byly nejlépe rozpustné ve vodě. Výchozí část pocházela z hedvábí afrického pavouka. Koncová část pocházela z asijského pavouka. Pro prostřední část vědci použili dvě opakování z afrického pavouka. (Přirozený protein hedvábí tohoto pavouka má takových opakování asi 100.)

Tým trénoval bakterie, aby tento hybridní protein vytvořily. Poté vytvořili roztok proteinu ve vodě, koncentrovaný až na 50 procent. To je podobná koncentrace jako v pavoučích žlázách.

Získání proteinů pro výrobu vláken

Následujícím úkolem bylo spřádání proteinů do vláken. Jak pavoučí žláza odčerpává roztok, pH roztoku klesá. (Stupnice pH měří, jak moc je něco kyselé. Čím nižší je pH, tím je to kyselejší.) Risingova skupina přišla na to, že musí udělat něco podobného.

Aby napodobila způsob, jakým se pavoučí hedvábí při spřádání stává kyselejším, nový postup skupiny čerpá roztok přes tenkou trubičku. Průměr špičky trubice se na konci zužuje. To vytlačuje roztok bílkovin do proudu. Proud se vypouští do kádinky s kyselým roztokem na bázi vody. Jak proud bílkovin prochází touto kapalinou, její pH klesá. Jednotlivé bílkoviny se pak spojí. Díky tomu vypadávají z roztoku jako vlákna. Výsledné vlákno syntetického hedvábí lze vytáhnout z kádinky a navinout na cívku nebo kartu.

Studie týmu vyšla 9. ledna v časopise Nature Chemical Biology.

Toward even stronger silk

Lewisově skupině ze Státní univerzity v Utahu se již podařilo rozpustit proteiny pavoučího hedvábí ve vodě. V roce 2015 tito vědci informovali o jejich výrobě do hedvábí pomocí jiné metody. Množství bílkovin v tomto roztoku však bylo mnohem nižší než to, čeho dosáhla Risingova skupina.

Lewis poznamenává, že hedvábný protein vyrobený Risingovou a Johanssonovou skupinou má jen několik opakování. Domnívá se, že více opakování v tomto hedvábí by vlákna posílilo.

Marlene Anderssonová

Johansson souhlasí, že by bylo lepší mít více opakování. Navíc si myslí, že je také důležité, aby byl protein dobře rozpustný. A kratší opakující se úsek tomu pravděpodobně napomáhá. Hedvábí vyrobené jejich novým postupem je však již nyní asi o třetinu pevnější než přírodní pavoučí hedvábí. Přesto má jen dvě procenta opakování jako hedvábí jihoafrického pavouka.

Nová práce je důležitá, říká Lewis. „Poskytuje zajímavou příležitost, jak možná výrazně zjednodušit proces spřádání.“ A dodává, že pokud to bude fungovat i u velkých proteinů, „je to možný velký pokrok.“

Koneckonců, chovat pavouky za účelem sběru přírodního hedvábí je nepraktické. Každý by musel být chován samostatně, jinak by se mohli navzájem sežrat. A byly by tu i další problémy.

Syntetické hedvábí by mohlo mít spoustu využití. „Pavoučí hedvábí má jedinečnou kombinaci pevnosti i pružnosti,“ poznamenává Lewis. V medicíně by pavoučí hedvábí mohlo fungovat jako stehy. Mohlo by opravovat šlachy. Mohlo by pomoci poškozeným nervům, aby se samy obnovily. Mohlo by dokonce tvořit rámec pro pěstování náhradních tkání v laboratoři.

Pro armádu by se syntetické pavoučí hedvábí mohlo používat v ochranné výstroji. Silná vlákna by například mohla pomoci zabránit tomu, aby drobné úlomky výbušných zařízení pronikly do kůže a způsobily infekci. V průmyslu by se pavoučí hedvábí mohlo používat k výrobě pevných a lehkých dílů pro letadla nebo automobily. „Jednou z věcí, které jsme objevili, je, že k výrobě vláken ani nemusíte používat,“ říká Lewis. Proteiny by se mohly použít do nátěrů, gelů, fólií nebo lepidel.

Než bude toto syntetické hedvábí připraveno k masové výrobě, musí se ještě udělat další práce. Přesto je Risingová po 13 letech ráda, že její mezinárodní tým konečně našel způsob, jak napodobit, jak pavouci spřádají své vlastní hedvábí. „Byl to jeden z projektů, kde všechno v podstatě funguje,“ říká.“

Tento článek je jedním ze série představující novinky v oblasti technologií a inovací, která vznikla díky štědré podpoře nadace Lemelson Foundation.