Поки світ заповнений пластиком, дослідники шукають практичні матеріали, які є легкими, міцними та біорозкладними. Останніми роками вчені все більше звертаються до природного світу за натхненням, зосереджуючи увагу на вражаючих властивостях шовку павуків.

Але є ще один перспективний варіант, який ховається на виду: шовк бджіл. Багато людей ніколи не чули про шовк бджіл.

"Виробництво шовку набагато поширеніше в природі, ніж більшість людей усвідомлює", - говорить Орн Вассерман, молекулярний біолог, який завершив докторську дисертацію в Університеті штату Юта. "Шовк еволюціонував незалежно багато разів, з принаймні 23 окремими походженнями лише у комах, включаючи мурах, бджіл і ос".

Раніше цього року Вассерман і його команда стали першими, хто створив плівку з певного типу шовку бджіл, що є важливим першим кроком у використанні цього неймовірного матеріалу.

У світі комах шовк може використовуватися для всього: від будівництва павутиння до конструювання гнізд. Для бджіл, зокрема, мета полягає в захисті.

"Соціальні бджоли, такі як медоносні бджоли та джмелі, виробляють шовк для обробки клітин потомства своїх колоній", - говорить Вассерман. "Одиночні бджоли, які складають близько 75 відсотків усіх видів бджіл, прядуть шовк для виготовлення коконів, які забезпечують захист від екологічних стресів".

Це означає, що близько трьох чвертей усіх видів бджіл прядуть шовк.

"Виробництво шовку набагато поширеніше в природі, ніж більшість людей усвідомлює", - молекулярний біолог Орн Вассерман

Дослідники насправді вивчають властивості різних шовків бджіл протягом останніх 20 років, але команда Вассермана та лабораторія Джонса зробили крок далі, створивши неінвазивний підхід до синтезу шовку.

Це важливо, оскільки, хоча всі знають, наскільки вражаючим є шовк павуків, він виявився надзвичайно важким для відтворення в лабораторії.

Дослідження Вассермана зосереджено на блакитній садовій бджолі (Osmia lignaria), одиночній бджолі та важливому запилювачеві садів, з маленькими, коричневими, подовженими коконами, які мають характерну сосочкову кришку з одного кінця.

Ці кокони міцніші, ніж здається. Незважаючи на те, що обидва використовують шовк для виготовлення коконів, шовкопряди та блакитні садові бджоли виробляють свій шовк дуже по-різному.

Личинка бджоли використовує більш архітектурний підхід, закріплюючи шовк на стінці гнізда, тягнучи нитку за допомогою рухів голови та закріплюючи її в новій точці, повторюючи процес, поки не закриє повністю.

Отриманий кокон має лише кілька структурних шарів, але вони працюють разом, щоб забезпечити газообмін, механічний захист, утримання вологи та опір паразитам.

Це важливо, оскільки кокони одиночних бджіл стикаються з реальною загрозою: паразитичними осами, які знаходять бджолині кокони за допомогою хімічних сигналів, а потім намагаються проколоти їх, щоб відкласти яйця всередині розвиваючої бджоли.

Шовковий кокон бджоли є фактично єдиною лінією захисту личинки.

І, крім того, що він надзвичайно стійкий до проколів, матеріал також є гнучким, антибактеріальним і дихаючим. Це саме те поєднання, яке вам потрібно в матеріалах для біомедицини, таких як хірургічні шви, каркаси для тканинної інженерії та технічні текстилі.

Однак виклик у використанні цих властивостей полягав у відтворенні шовку поза личинкою бджоли.

Початкові спроби Вассермана полягали в ізоляції окремих шовкових волокон з готових коконів, але цей процес був трудомістким і призводив до багатьох зламаних ниток. Тому команда повернулася до джерела.

"Протокол, який ми розробили, ізолює шовкові волокна безпосередньо з рота личинки", - пояснює Вассерман.

Для цього вони використовують 3D-друковану систему виховання, яка імітує природну гніздову порожнину бджіл, і насправді вирощують личинок бджіл всередині. Команда щодня контролює кожну личинку і втручається в той момент, коли вона починає прясти.

Волокна потім ізолюються та монтуються для механічного тестування. "Однією з найобіцяючіших аспектів протоколу є те, що личинки продовжують формувати свої кокони, що свідчить про те, що метод є мінімально інвазивним", - пояснив Вассерман.

З ізольованими нитками команда тепер змогла виробляти шовк з нуля, використовуючи молекулярно-біологічні техніки для вставки цільових генів в інженерований мікроорганізм, який виводив їх у лабораторії.

Це перший раз, коли білок шовку одиночної бджоли був вироблений таким чином і перетворений на матеріал. Хоча він ще не готовий до використання в будь-яких застосуваннях, ця техніка відкриває двері для подальшого вивчення шовку бджіл різних видів.

Наприклад, відомо, що шовк медоносних бджіл є більш еластичним, ніж шовк садової бджоли, і цю ж техніку можна потенційно використовувати для відтворення цього шовку або навіть змішувати його з іншими матеріалами.

Саме це зараз роблять Вассерман і його команда з їхнім шовком бджіл – поєднуючи його з чимось ще більш дивним: слизом гагфішів.

Гагфіші – це давні безщелепні глибоководні риби, які вивільняють в'язку секрецію, коли їх загрожують. Ця секреція швидко розширюється у морській воді, забиваючи зябра того, хто їх атакує.

Цей слиз є сумішшю слизу та тонких шовкових ниток, і коли ці нитки розтягуються та висихають, їх механічні властивості наближаються до шовку павуків.

Лабораторія Вассермана використовує той самий молекулярний робочий процес як для білків гагфіша, так і для шовку бджіл, і обидва матеріали мають схожу основну білкову структуру. Це означає, що їх можна потенційно змішувати в матеріали, які поєднують найкращі властивості кожного.

"Шовк використовувався для різних цілей протягом тисячоліть", - говорить Вассерман. "Навіть так, більшість уваги було зосереджено на кількох видах, головним чином на шовкопрядах і павуках. По всіх комах шовк вражаюче різноманітний, його виробляють багато видів, які відрізняються за складом і механічними властивостями. Але, на диво, багато аспектів, таких як їх шовк і кокони, залишаються недостатньо вивченими".

"Оскільки ця галузь продовжує розвиватися, я очікую, що багато з цих відкритих питань почнуть отримувати відповіді".

Дослідження було опубліковано в PLOS One та SynBio.