Mokslo ir technologijų pasaulis

Vorų šilkas yra išties nuostabi medžiaga - penkis kartus atsparesnis tempimui už plieną ir tris kartus - už geriausias sintetines skaidulas. Tačiau iki šiol dar niekam nepavyko pagaminti šį "superšilką" sintetiniu būdu. Kaip gi vorai per sekundės dalis suformuoja ilgas, itin stabilias ir elastiškas skaidulas, panaudodami vadinamojoje šilko liaukoje saugomus baltymus?

Vokietijos Miuncheno technikos universiteto (Technische Universitaet Muenchen - TUM) ir Bayreuth universiteto mokslininkai teigia, jog jiems pagaliau pavyko atskleisti šią paslaptį. Savo atradimą tyrinėtojai jau yra aprašę moksliniame žurnale "Nature" publikuotame straipsnyje.

"Didelis natūralaus vorų šilko elastiškumas ir ekstremalus atsparumas tempimui yra neprilygstamas - ir jis lenkia bet kokias kitas sintetinio šilko rūšis, pagamintas iš gryno vorų šilko baltymo", sako TUM Pažangių tyrimų instituto profesorius Horstas Kessleris. Tai ir yra esminis klausimas, neduodantis ramybės visiems, norintiems dirbtiniu būdu gaminti stabilias vorų šilko gijas: kaip gi vorai sugeba savo liaukose sukaupti didelės koncentracijos žaliavą, iš kurios bet kuriuo momentu galima pradėti gaminti tvirtas gijas? Šią problemą jau ilgus metus sprendžia mokslininkas Thomas Scheibel'is.

Vorų šilkas susideda iš baltymų molekulių - ilgų grandžių, kurios savo ruožtu susideda iš tam tikrų aminorūgščių derinių. Rentgeno spindulių analizė rodo, jog užbaigtoje gaminti skaiduloje yra tam tikrų sričių, kuriose kelios baltymų grandys yra susijusios viena su kita stabiliomis fizinėmis jungtimis. Šios jungtys užtikrina ir visos gijos stabilumą. Tarp jungčių esama "laisvųjų" sričių, kurios skaiduloms suteikia elastiškumo.

Tačiau vorų šilko liaukoje situacija yra visiškai kitokia. Baltymai ten saugomi didelėje koncentracijoje, drėgnoje terpėje. Sritys, kurios atsakingos už baltymų grandžių sąsajų sudarymą, negali liestis viena su kita, nes priešingu atveju baltymas suformuos vieną gniužulą. Fiziškai tą atlikti nėra realu, tad molekulės turi turėti kažkokią specialią "saugojimo konfigūraciją".

Šiuo atveju Rentgeno spindulių analizė jau negalėjo suteikti pageidaujamų rezultatų. Jais tirti patogu tvirtos būsenos kūnus - tuo tarpu, iki sutvirtėjant gijoms, viskas vyksta vandeniniame tirpale. Todėl specialistai pasirinko naudoti branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopijos (angl. nuclear magnetic resonance spectroscopy - NMR) metodą. Horsto Kesslerio grupės mokslininkas Francas Hagnas (Franz Hagn), panaudodamas Bavarijos NMR centro įrangą, sugebėjo ištirti struktūrą elemento, kuris yra atsakingas už tvirtos gijos formavimosi procesą. Tai leido mokslininkams ištirti ir jo veikimo ypatumus.

"Šilko liaukoje, esant tam tikroms saugojimo sąlygoms, šie kontroliuojantys elementai susijungia poromis ir erdvėje išsidėsto taip, kad fizinius ryšius sudarančios baltymų sritys negalėtų išsidėstyti lygiagrečiai viena kitos atžvilgiu", aiškina Thomas Scheibel'is. "Tai efektyviai neleidžia mišiniui 'sustingti ' į kietą šilko formą", priduria specialistas.

Kai taip apsaugoti baltymai patenka į verpimo kanalą, aplinkos sąlygos visiškai pakinta. Skiriasi aplinkų struktūra ir svarbiausia - druskingumas. Pakitęs druskingumas suardo kontroliuojančių molekulių struktūrą ir jos netenka veiksmingumo. Be to, siaurame verpimo kanale vykstanti tėkmė sukuria stiprią šlyties jėgą. Jos veikiamos ilgos baltymų grandys išsidėsto lygiagrečiai viena kitos atžvilgiu, o sritys, sudarančios tvirtą ryšį, atsiranda viena šalia kitos. Taip suformuojama stabili šilko skaidula.

"Mūsų gauti rezultatai rodo, kad atrastas 'molekulinis jungiklis' vaidina lemiamą vaidmenį tiek saugant baltymą skystoje formoje, tiek formuojantis šilko gijai", sako Francas Hagnas. Mokslininkams taip pat pavyko pagrįsti gautus rezultatus praktiškai. Jie sukonstravo dirbtinį šilko verpimo kanalą. Kita mokslininkų komandos dalis šiuo metu bando sukurti biomimetinį - imituojantį gyvą organizmą - šilko audimą atliekantį aparatą. Projektą remia tiek valstybė, tiek pramonės partneriai: tai nenuostabu, kadangi išradimo taikymo sričių skaičius yra labai platus, pradedant naujos kartos tirpiais chirurginiais siūlais, baigiant techninės paskirties skaidulomis, naudojamomis, pavyzdžiui, automobilių industrijoje.