Niezwykłe właściwości jedwabiu czynią go kluczowym materiałem w pracy biotechnologów

Pająki, osy, pszczoły i mrówki to tylko niektóre ze stworzeń produkujących jedwab. Wśród nich zdecydowany prym wiedzie ćma z gatunku Bombyx mori, z której kokonu otrzymać można nawet 1200 metrów nici! Jedwabne włókno zbudowane jest głównie z białka zwanego fibroiną, resztę stanowi substancja klejąca – serycyna. Nić jest niezwykle wytrzymała (bardziej niż niektóre rodzaje stali), elastyczna i biodegradowalna. Jedwabne włókno potrafi też przewodzić ciepło i robi to o wiele lepiej niż niektóre metale. A jak dowodzą wyniki badań przeprowadzonych na uniwersytecie stanowym w Iowa (USA) – może być też jadalne. Nieziemskie właściwości jedwabiu rozbudziły apetyty naukowców na znalezienie dla niego zastosowań w medycynie, optoelektronice, fotonice czy chociażby muzyce. Oto najmocniejsze fakty, które nawet Spidermana wprowadziłyby w osłupienie.

Transgeniczne włókna
Nić, którą przędą pająki, jest bardziej wytrzymała i sprężysta niż ta, którą wytwarzają jedwabniki. Co z tego, skoro nie potrafimy jej jeszcze pozyskiwać na skalę przemysłową. Hodowlę pająków i masową produkcję ich nici uniemożliwia bowiem trudne usposobienie tych zwierząt – z natury to samotniki i bardzo groźne drapieżniki. Chcąc przezwyciężyć ograniczenia, jakie stawia natura, biotechnolodzy zaczęli przeszczepiać geny pajęczaków innym organizmom. Pierwsze doświadczenia przeprowadzono z bakteriami, kolejne nawet z kozami. Prof. Malcolm Fraser z Uniwersytetu Notre Dame (USA) ogłosił, że udało mu się wyhodować transgeniczne jedwabniki zdolne do produkcji pajęczej nici na masową skalę

Eksperyment z biokartą
avid Kaplan i Fiorenzo Omenetto, inżynierowie medyczni z uniwersytetu Tufts (USA), z entuzjazmem podchodzą do badań dotyczących przyszłych zastosowań jedwabiu. Aby wydzielić serycynę i fibroinę, gotują kokony jedwabników w wysokiej temperaturze. Uzyskany przez nich nowy typ jedwabiu może być wykorzystywany m.in. do przechowywania leków w temperaturze pokojowej. Aby udowodnić słuszność swoich przypuszczeń, Kaplan stworzył na bazie sztucznego jedwabiu kartę, przypominającą zwykłą kartę płatniczą. Dodał do niej penicylinę i przez dwa miesiące przechowywał w temperaturze 60ºC. Eksperyment zakończył się sukcesem – antybiotyk nie stracił swoich cennych właściwości bakteriobójczych.

Nadzieja dla diabetyków
2008 roku Kaplan i Omenetto zaprojektowali bioczujnik składający się z 10.000 nanocząsteczek złota ułożonych na jednocentymetrowym skrawku jedwabiu. Czujnik wykrywał biosygnały w mięśniu świni. Po otrzymaniu rezultatów para naukowców potwierdziła, że takie czujniki wszczepiane pod ludzką skórę mogłyby na przykład wysyłać na telefon komórkowy diabetyków ostrzeżenia o zmianach poziomu glukozy w organizmie.

Powoli do celu
Jednym z największych wyzwań współczesnej farmakologii jest stworzenie takich mechanizmów, które wprowadzą lek dokładnie w to miejsce w organizmie, gdzie powinien zadziałać, i będą go uwalniać
przez ściśle określony czas. I znowu nadzieja w jedwabiu! Naukowcy wierzą, że dzięki niezwykłym właściwościom mechanicznym tego materiału oraz jego biokompatybilności niebawem powstaną nowoczesne leki, które będą umiały szybko trafić do celu. Już dziś w laboratoriach pracuje się nad stworzeniem kapsułek wykonanych z jedwabnej folii, wystarczająco małych, by swobodnie krążyć w krwiobiegu. Prof. Thomas Scheibel z uniwersytetu w Bayreuth (Niemcy) stworzył z pajęczej nici osłonki na tabletki. Osłonki przez 30 dni powoli uwalniały lek przeciwbólowy w wodzie o temperaturze pokojowej.

Sojusznik w walce z epilepsją
Dwa lata temu zespół Davida Kaplana ogłosił na łamach „Nature Materials” kolejne sensacyjne odkrycie: jedwabna nić może mieć praktyczne zastosowanie w leczeniu zaburzeń neurologicznych,
takich jak epilepsja czy uszkodzenie rdzenia kręgowego! Naukowcy znaleźli sposób pozwalający nadrukować mikroelektrody na ultracienkiej siatce (500 mikrometrów) ciekłego jedwabiu. Włókno topi się natychmiast po doprowadzeniu elektrody do celu, którym jest mózg chorego.

Stelaż do produkcji organów
Prof. James Goh z uniwersytetu w Singapurze odbudował więzadło krzyżowe tylne u świni, używając komórek macierzystych zasianych na jedwabnej sieci. Włókno okazało się obiecującym materiałem przy produkcji „rusztowań” służących do regeneracji tkanek i organów ludzkich. Po zakończeniu swojego zadania takie rusztowania byłyby po prostu wchłaniane przez organizm. Dzisiaj najważniejszym wyzwaniem dla naukowców pozostaje dopasowanie rytmu rozkładu jedwabiu do naprawy tkanek – powoli przy złamaniu kości i szybko przy otwartych ranach.

Skóra pod ostrzałem
Podobno na pajęczynie może utrzymać się 100 słoni. Dlaczego więc nie stworzyć z niej superwytrzymałej skóry? Podobne pytanie zadawała sobie holenderska artystka Jalila Essaïdi, która poprzez swój bioartystyczny projekt dowiodła, że skórę grubości i wytrzymałości pajęczyny można po prostu uszyć! Pomysł polegał na wszczepieniu pajęczych genów kozom, które w następstwie dawały mleko bogate w kleiste białka. Po wyselekcjonowaniu tych białek i połączeniu z komórkami ludzkiej skóry udało się wyhodować zupełnie nowy naskórek – tak trwały i mocny, że może wytrzymać nawet postrzał kuli kalibru 22. Holenderka zapewnia, że gdybyśmy potrafili jeszcze zastąpić keratynę skóry jedwabiem (wszczepiając geny pajęczaka do ludzkiego DNA), to otrzymalibyśmy najbardziej wytrzymałą, bo naturalną, kamizelkę kuloodporną.

Pojemniki na żywność – inteligentne i… jadalne
A co, jeśli moglibyśmy przechowywać nasze produkty spożywcze w opakowaniach zawierających czujniki optyczne, które ostrzegałyby nas np. na wypadek zainfekowania szpinaku bakteriami? Obecnie nad podobnymi rozwiązaniami pracuje się, wykorzystując materiały zanieczyszczone substancjami chemicznymi. Tak czy inaczej jedwabne białka, dzięki doskonałej kombinacji właściwości optycznych i biologicznych, mogą być przetwarzane w wodzie. Ich produkcja jest przy tym przyjazna środowisku. Jeśli popuścimy wodze fantazji, możemy wyobrazić sobie nawet włókno, które będzie jadalne. Niestety, według zapewnień Fiorenzo Omenetto, który większą część swojego życia zawodowego poświęcił na badanie właściwości tego materiału, jedwab nie jest smaczny.