Kam se hrabe Kevlar

Včera jsme si velmi stručně pověděli o historii využití pavoučích vláken. Dnes se podíváme ke genetikům. Ne, nečekejte "šílenými" vědci vytvořenou gigantickou Nephilu.

Pavoučí vlákna "dodaná přímo" od pavouků se zřejmě nikdy nebudou používat, je to velmi složité. Ovšem genoví inženýři a chemici prohlašují, že je jen otázkou času, kdy se podaří uměle vyrobit nefalšované pavoučí vlákno. Co si z něj pak utkáme, to prý už bude naše věc. A možná, že skutečně za krátkou dobu se budou průmyslově tkát materiály z pavoučích vláken. Poslední pokusy jsou totiž velice nadějné.

V roce 1994 skupina amerických vědců z Cornell's Center for Advanced Technology zjistila následující:

vlákno pavučiny je z keratinu, v němž jsou především zbytky aminokyseliny alaninu spojeny do delších úseků, které mají charakteristickou prostorovou stavbu známou jako skládaný list. V něm jsou řetězce orientovány navzájem rovnoběžně, takže je to velmi uspořádaná struktura, a právě tyto úseky dodávají vláknu jeho pevnost. Další části řetězce, kde se vyskytují nejrůznější aminokyseliny, jsou naopak velmi málo orientované, takže vytvářejí amorfní matrici, v níž jsou uloženy uspořádané části. Tato amorfní struktura naopak dodává vláknu jeho ohebnost.

Na univerzitě v New Hampshire při výzkumech zejména sítí křižáků Nephila clavipes zjistili toto:

Sušina 34 sítí vážila dohromady 23,6 miligramu, na jednu síť tedy připadly 694 mikrogramy. Z celkové hmotnosti tvořilo 51 procent frakci ve vodě rozpustnou a 49 procent tvořil ve vodě nerozpustný fibroin. Složka ve vodě rozpustná, na niž byla studie zaměřena, měla pH 4,9 a obsahovala K+ (1,8 %), Na+ (0,5 %), anorganické fosfáty a téměř 21 procent GABA (kyselina gama-aminomáselná).

První krok k možnosti vyrábět pavoučí vlákna uměle byl tedy vykonán. Potom následoval nápad. Totiž roztok, který tvoří pavouci ve svých žlázách a vylučují snovacími bradavkami jako tekutinu na vzduchu tuhne a mění se na materiál nerozpustný ve vodě. Shodné polymery vyráběné průmyslově k tomu skoro vždy potřebují vysokou teplota nebo přítomnost silných kyselin. Jak to? Přemýšleli vědci a ten nápad byl obrátit se ke genovému inženýrství. Identifikovat a popsat ten úsek DNA pavouka, který kóduje právě posloupnost aminokyslein daného typu keratinu, který má tyto vlastnosti. Nakonec to dokázaly dvě laboratoře v USA a získanou mírně modifikovanou DNA jednoho druhu pavouka se podařilo vpravit do bakterie Eschrichia coli. Dosáhlo se toho, že bakterie produkuje bílkovinné fragmenty, jež jsou ve většině detailů totožné s odpovídajícími úseky keratinu pavoučího vlákna.

V jiných laboratořích na to šli jinak:

Jedná se o kanadskou firmu Nexia Biotechnologies ve Vaudreuil Dorion (Québec) a Materials Science Team U.S. Army. Geny pro tvorbu pavoučích vláken izolovaly z druhu Araneus diadematus (křižák) a Nephila clavipes a zvířátkem, kterému je předali a které bude produkovat pavoučí hedvábí je koza (přesněji trpasličí koza západoafrická, která byla shledána jako nejvhodnější). Jak bude koza snovat vlákna? Postup je následující: Ony izolované pavoučí geny se nejdříve získávají z pavoučího prášku - pavouci se zmrazí v tekutém dusíku a následně rozemelou, z prášku se následně vyextrahuje DNA. Správné geny pro tvorbu nezaměnitelných pavoučích vláken se přenesou do vajíček koz, která se pak uměle oplodní. Po narození kůzlat z těchto vajíček mají všechny „pavučinový gen“ v každé své buňce (transgenní zvířata), ale pouze samice budou v mléku produkovat i látku totožnou s pavoučím hedvábím. Toto je zajištěno tím, že DNA se ještě modifikuje přidáním "genetického spínače", který aktivuje gen pouze tehdy, je-li přítomen v mléčné žláze.

Konečně se dostáváme k výrobě „pravých“ umělých pavoučích vláken. Mléko se nejprve odstředí (aby se zbavilo tuku), potom se k mléku přidá sůl - z důvodu vysrážení proteinů pavoučího hedvábí. Ke dnu klesnou vysrážené proteiny. Směs se odstředí, mléko se scedí a k sedimentu se přidá voda. V dalším kroku se sediment rozpustí ve vodě a vznikne zlatavá emulze – to je onen pavučinový koncentrát, který je skoro totožný s tím, co má ve své žláze pavoučice.

Nyní se může začít „tkát“ vlákno. Pavučinový koncentrát se vystřikuje pod tlakem tryskou. Odpařováním vody ze stříkaného koncentrátu, vzniká vlákno. Za hodinu se ho vytvoří asi sto metrů. Potom se průhledné a lesklé vlákno navíjí na cívku a zároveň se napíná na krajní mez pevnosti (tak to dělá i pavouk při snování sítě). Tím se vlákno nejen prodlužuje, ale současně se zvyšuje i jeho pevnost. Nejobtížnější přitom je vyrobit vlákno tak, aby bylo po celé délce stejnoměrně silné. Vzniklé vlákno bylo nazývané BioSteel ( bioocel). Jádro vlákna je z domén bohatých na alanin (zajišťuje pevnost) a domén bohatých na glycin (zajišťuje pružnost). Protože je však tvořeno jen jediným druhem bílkoviny, pevnost pavučiny zatím nemá. Mechanické vlastnosti pavučinových vláken totiž určuje především jejich struktura a chemické složení. A proč se vlastně tak člověk snaží napodobit pavouka, copak nám nestačí na oděvy vlákna, která máme k dispozici? Ono se zde jedná o něco jiného než o oděvnictví – už název bioocel napovídá, co tato tenká vlákýnka dokáží.

Tým amerických vědců vedený J. M. Goslinem zkoumal pevnost a pružnost rámového vlákna sítě křižáka Araneus sericatus. Na počátku má rámové vlákno pevnost kolem 101o pascalů, která klesá ve finální oblasti přibližně na 4x10^9 pascalů. Největší zatížení dosažené před prasknutím činí kolem 1,4x10^9 pascalu a vlákno se předtím protáhne o 30 procent.

Takovéto vlastnosti zařadily pavoučí vlákna na první místo mezi biologickými materiály. Na hmotnostní jednotku jsou pevnější než ocel a jsou srovnatelná se superpevným polymerovým materiálem kevlar. A pak se řekne - je jak pavučinka.