Паутина прочнее стали: как самый необычный материал природы становится технологией будущего

Если бы существовал рейтинг самых недооценённых природных материалов, паутина почти наверняка оказалась бы в числе лидеров. Большинство людей воспринимают её как неприятную липкую сеть в углу комнаты, хотя на самом деле это один из самых совершенных биоматериалов, известных науке.

Инженеры десятилетиями пытаются повторить её свойства, модные бренды мечтают шить из неё одежду, военные рассматривают её для бронезащиты, а биотехнологические компании вкладывают сотни миллионов долларов в попытки наладить массовое производство. И всё потому, что паутина сочетает характеристики, которые очень редко встречаются одновременно.

Подробнее о строении паучьего шёлка и современных исследованиях можно прочитать в большом материале National Geographic.

Почему паутина настолько необычна?

Паутина — это не просто тонкая нить. Она состоит из сложных белков (спидроинов), которые паук синтезирует внутри своего организма. Пока белок находится в специальных железах, он остаётся жидким. Но проходя через прядильные органы паука, молекулы выстраиваются в сложную наноструктуру и буквально за доли секунды превращаются в невероятно прочное волокно.

Именно эта природная технология делает паутину настолько уникальной.

Её основные свойства впечатляют:

• при одинаковом весе она примерно в пять раз прочнее стали;
• обладает огромной эластичностью и может растягиваться на десятки процентов без разрушения;
• хорошо поглощает энергию удара;
• полностью биоразлагается;
• производится при обычной температуре без токсичных химических процессов.

Для сравнения: производство большинства современных сверхпрочных материалов требует высоких температур, сложной химии и больших энергозатрат. Паук же справляется с этим буквально "на холодную".

Люди пытались использовать паутину ещё тысячи лет назад

Необычные свойства паутины заметили задолго до появления современной науки.

В Древней Греции её использовали как природный перевязочный материал. Считалось, что она помогает остановить кровотечение и защищает рану от загрязнений.

На некоторых островах Тихого океана из крупных паутин плели небольшие рыболовные сети.

В XVIII веке французский монах Франсуа-Ксавье Бон даже сумел изготовить ткань из паутины. Самым известным его изделием стали тонкие чулки, преподнесённые испанскому королю Карлу III.

Однако все подобные проекты сталкивались с одной и той же проблемой: добывать паутину невероятно сложно.

Почему нельзя просто открыть паучью ферму?

На первый взгляд идея кажется очевидной: если шелкопрядов выращивают тысячелетиями, почему бы не разводить пауков?

Ответ очень простой — сами пауки против.

Большинство видов живут поодиночке и крайне агрессивно относятся друг к другу. Если поселить их вместе, значительная часть колонии быстро превратится в обед для оставшихся. Каннибализм среди пауков — вполне обычное явление.

Кроме того, каждый паук производит сравнительно мало паутины. Чтобы получить килограммы волокна, потребовались бы миллионы особей и огромные затраты на их содержание.

Поэтому массовое производство натуральной паутины оказалось практически невозможным.

Учёные решили выращивать не пауков, а их белки

Платье из паутины

Когда стало понятно, что разводить самих пауков бесперспективно, исследователи решили пойти другим путём.

Вместо пауков начали использовать генетически модифицированные микроорганизмы — бактерии и дрожжи. Им встраивали гены, отвечающие за синтез паучьих белков. Микроорганизмы выращивали на сахаре, после чего они производили нужный белок, из которого уже пытались сформировать волокно.

В начале 2010-х вокруг этой технологии возник настоящий ажиотаж.

Стартап Bolt Threads привлёк более 200 миллионов долларов инвестиций. Компания сотрудничала со Stella McCartney, Patagonia, Adidas и рядом других известных брендов. Одним из самых необычных продуктов стали галстуки из искусственного паучьего шёлка стоимостью около 300 долларов за штуку.

Adidas демонстрировал концепт кроссовок с использованием такого материала, The North Face экспериментировал с одеждой, а производители авиационных материалов и представители оборонной промышленности рассматривали возможность применения искусственной паутины в композитах и средствах индивидуальной защиты.

Казалось, революция уже совсем близко.

Но этого не произошло.

Почему первый "паучий бум" закончился

Главная проблема заключалась вовсе не в получении белка.

Получить белок оказалось значительно проще, чем заставить его превратиться в полноценную паутину.

Паук не просто выделяет белковую массу — он проводит чрезвычайно сложный процесс формирования волокна. Во время прохождения через прядильные железы меняются кислотность, концентрация солей, давление и механическое растяжение. Именно эти условия заставляют молекулы выстраиваться в особую структуру, которая и обеспечивает выдающиеся механические свойства.

Повторить этот процесс в промышленности оказалось гораздо сложнее, чем ожидалось.

В результате себестоимость продукции оставалась высокой, объёмы производства — небольшими, а коммерческий спрос не оправдал ожиданий. Многие биотехнологические стартапы были вынуждены сократить проекты или полностью изменить направление работы.

Затем появился CRISPR

Ситуация начала меняться после распространения технологии редактирования генома CRISPR.

В 2023 году китайские исследователи смогли встроить полноценный ген паучьего шёлка непосредственно в геном шелкопряда. Именно этот эксперимент многие специалисты называют одним из важнейших прорывов последних лет в области биоинженерии материалов. Подробности исследования описаны в материале New Atlas. Вместо обычного шёлка гусеницы начали производить гибридное волокно, обладающее значительно более высокой прочностью. По данным исследователей, новый материал оказался примерно в шесть раз прочнее кевлара при сопоставимых условиях испытаний.

Это решение оказалось особенно элегантным.

Шелкопряды уже тысячи лет прекрасно умеют производить километры волокон. Учёным не пришлось изобретать промышленную систему формирования нити — природа давно сделала это за них.

Именно поэтому многие специалисты считают данный подход гораздо более перспективным, чем производство белков с помощью бактерий.

Первые промышленные фермы уже работают

Вот настолько крепка нить из паутины

Американская компания Kraig Biocraft Laboratories пошла ещё дальше.

Компания выращивает генетически модифицированных шелкопрядов на фермах во Вьетнаме и постепенно увеличивает масштабы производства. Несколько поколений таких линий уже созданы, а компания рассчитывает вывести производство гибридного шёлка на промышленный уровень.

Если технология окажется экономически успешной, рынок сверхпрочных биоматериалов может заметно измениться уже в ближайшие годы.

Но оказалось, что паучий белок полезен не только для нитей

Иногда исследования приводят к неожиданным открытиям.

Немецкая компания AMSilk, которая также занимается производством белков паутины, обнаружила интересное свойство материала. Некоторые формы паучьего белка способны образовывать тончайшую биологическую плёнку, которая эффективно отталкивает жир и загрязнения.

В отличие от многих традиционных поверхностно-активных веществ такая плёнка является биоразлагаемой и не содержит токсичных компонентов.

Поэтому компания начала использовать собственные разработки не только для создания волокон, но и в бытовой химии, косметике и покрытиях для различных поверхностей.

Получается любопытная ситуация: материал, который десятилетиями рассматривали как замену кевлару, неожиданно оказался полезен даже при производстве средств для мытья посуды.

Возможно, паутина действительно станет материалом будущего

Сегодня паутина уже не выглядит фантастикой из научной фантастики.

Современная биоинженерия постепенно решает главную проблему — как получать этот материал в больших объёмах без необходимости разводить миллионы пауков.

До массового использования ещё далеко: технологии остаются дорогими, а промышленное производство только развивается. Однако за последние несколько лет прогресс оказался значительно быстрее, чем за предыдущие десятилетия.

Вполне возможно, что через несколько лет одежда, спортивный инвентарь, медицинские импланты или даже детали самолётов будут содержать материал, который когда-то ассоциировался исключительно с пауками в углу комнаты.

И если однажды после мытья посуды на чистую тарелку неожиданно спустится паук, возможно, он просто решил проверить качество работы своего дальнего биотехнологического родственника.

Интересные факты

• Один паук способен производить сразу несколько видов паутины, каждая из которых имеет своё назначение.
• Самая прочная паутина используется не для ловли добычи, а как страховочный трос.
• Некоторые виды пауков ежедневно съедают собственную старую паутину, чтобы повторно использовать белок.
• Учёные изучают паучий шёлк для создания хирургических нитей, искусственных сухожилий и лёгких бронематериалов.
• По мнению исследователей, именно генетически модифицированные шелкопряды сегодня являются самым перспективным способом массового производства паучьего шёлка.