Конкурс «Био/Мол/Текст»-2020/2021

Эта работа опубликована в номинации «Школьная» конкурса «Био/Мол/Текст»-2020/2021.

---

Партнеры номинации — медико-биологическая школа «Вита» и «Новая школа».

---

Генеральный партнер конкурса — ежегодная биотехнологическая конференция BiotechClub, организованная международной инновационной биотехнологической компанией BIOCAD.

---

Спонсор конкурса — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.

---

Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Они поймали в кустах трёх мохнатых пауков и...
заставили их работать.
Один паук плёл из паутины сетку для рыбной ловли.
Второй паук плёл из паутины одежду.
Н. Сладков. Планета чудес

В прошлом веке человечество пережило не одну техническую революцию. Эти революции изменили нашу жизнь. Такие изобретения, как автомобили, самолеты, телевизоры, лазеры, компьютеры и Интернет приучили нас к переменам. История показала, что мы не можем стоять на месте. Техногенные революции затронули и область производства новых материалов для разных сфер нашей жизни. От тяжелого машинного оборудования и твердых металлов человечество переходит к биотехнологиям и биоматериалам. Одним из таких перспективных материалов является паутина — удивительный материал, сочетающий в себе прочность стали, жесткость кевлара и легкость... паутины. А еще оказалось, что паутина может эффективно применяться в различных медицинских биоконструкциях, поскольку паутинный материал биологически совместим с организмом человека [1].

Паутина обладает кровоостанавливающим действием и ускоряет заживление поврежденной кожи . С помощью паутины можно существенно улучшить свойства множества материалов, которые в настоящее время применяются в медицине. При этом сама паутина со временем будет бесследно рассасываться. Эти убедительные примеры использования паутины взяты из статьи, рассказывающей о возможностях ее применения для производства медицинских повязок [2].

О некоторых свойствах «паутинного клея» и возможностях его применения «Биомолекула» рассказывала ранее: «“Умный клей” из паутины» [3].

Но для промышленного применения любого материала важно решить, как минимум две задачи: как получить материал в достаточном количестве и сколько он будет стоить. У шелка тутового шелкопряда 4500 лет не было конкурента в виде искусственного или синтетического материала. В наш век технических революций паутинный шелк, еще не найдя широкого применения в своем нативном виде, уже имеет серьезных синтетических соперников. Сможет ли он вообще выдержать такую конкуренцию?

В этой статье мы посмотрим, как люди на протяжении веков пытались адаптировать пауков к жизни в неволе, и попытаемся понять, можно ли пауков приручить и заставить работать на нас.

Немного из истории

Пауки и их паутины заинтересовали ученых еще в XVIII веке [4]. Впервые вопрос о замене обыкновенного привозного шелка на паутину европейских кругопрядов был поставлен французом Боном в 1709 г. Его работа о пользе шелка пауков, вместе с изготовленными им перчатками и чулками, была представлена Королевскому обществу в Монпелье. Примерно в 1791 г. Термейер сделал новую удачную попытку получения шелка от обыкновенного крестовика Araneus diadematus (рис. 1), причем он получал нить прямо из паутинных бородавок.

Во второй половине XIX в. в разных странах пытались получать шелк от тропических пауков рода Nephila. В результате в 1899 г. изготовили образец роскошной шелковой ткани, длиною пять метров. А десятью годами ранее, с 1888 г., начали проводить опыты по акклиматизации Nephila во Франции. Потом по ряду экономических причин исследования, связанные с паутинами, велись весьма пассивно. Высокая стоимость паутинного шелка, превышающая в десятки раз цену обыкновенного шелка, охлаждала интерес к работе в этом направлении. Но сами пауки весьма интересовали ученых. В 1930 г. француз Бонне сделал еще одну попытку адаптировать паука Nephila clavipes (рис. 2) для жизни в Европе. Эти опыты окончились неудачей: Nephila не переносили французские зимы.

Серьезное изучение физических свойств паутины фактически началось после исследования М. Денни [5]. Эта работа стала стартом для дальнейших исследований паутинных волокон. Возможно, это связано с появлением новых электронных приборов и открытий в биохимии. 90-е годы минувшего века и начало нынешнего ознаменовались нарастающим потоком исследований механических, химических, биологических свойств и внутренней структуры волокон паутины [6], [7].

Например, было установлено, что самая прочная нить паутины — каркасная. Ее биологическая структура подробно изучена. На рисунке 3 показана поликристаллическая структура волокна паутины [8].

В его состав входят два ковалентно связанных белка: спидроин 1, который образует кристаллические β-складчатые структуры и кодируется геном MASP1, и спидроин 2, образующий аморфный матрикс и кодирующийся геном MASP2 [9]. Сегменты кристаллического строения, состоящие из β-складчатых слоев, чередуются с участками так называемого аморфного матрикса. Этот матрикс, богатый глицином, представляет собой спиральные участки и случайные петли, которые обеспечивают эластичность волокон. Своей прочностью паутина обязана β-складчатым структурам, богатым аланином.

Выделение паутины полностью контролируется нервной системой паука. Вытягивая паутину, паук прикрепляет ее к точке опоры и начинает отдаляться. Секрет вытягивается и застывает на воздухе, превращаясь в нить. В зависимости от назначения, паутина может быть липкой или сухой, а нить обычно состоит из одного или нескольких волокон. Паук использует свой шелк для ряда разнообразных целей: строительства ловушек для добывания пищи, создания коконов при размножении, перемещения в пространстве, обматывания добычи. Для реализации перечисленных целей паук использует различные железы, количество которых обычно не превосходит семь. На рисунке 4 представлены типы паутинных желез и вырабатываемая ими паутина.

Вооружившись полученными знаниями, в 1943 г. советские ученые Молотовского (Пермского) государственного университета имени А.М. Горького вновь заинтересовались вопросом приручения пауков. Актуальность и практическая значимость этих работ определялась тем, что:

• шелк можно получать как из коконов паука, так и непосредственно из паутинных бородавок;
• делали попытки применения шелка пауков в медицинских целях (для изготовление кровоостанавливающих бинтов и салфеток из паутины — в это время шла война).

Паучьи фермы

Получение нитей

Прежде всего провели исследование по определению длины паутинной нити, которую можно получить от крестовика Araneus marmoreus (рис. 5) путем выматывания паутины из паутинных бородавок [10].

Выматывание производили в двух вариантах. В первом варианте паутину выматывали из паука до предела, то есть до тех пор, пока паук совершенно не прекращал выделение паутины. Такое предельное выматывание приводило к быстрому истощению паутинных желез после одной-двух операций. После такого эксперимента пауки продолжали жить и принимать пищу, но деятельность паутинного аппарата прекращалась. Приводим таблицу предельного выматывания шести самок Araneus marmoreus, которая представлена в работе [10].

Во втором варианте — ежедневно проводили выматывание не более 100–150 м паутины от каждой самки, после чего выматывание прекращали.

Продуктивность пауков при порционном выматывании значительно возрастала. При предельном выматывании от одной самки получили в среднем 263 м, а максимум 524 м. При порционном — средняя цифра увеличивалась почти в три раза, достигая 739 м, а максимум достиг 1000 м.

Примечательно, что систематическая деятельность паутинных желез, при надлежащем питании, способствует увеличению продукции. Автор работы сравнила порционное выматывание пауков с применяемым в практике сельского хозяйства раздоем коров, где систематическое усиление деятельности желез приводит к многократному увеличению продукции.

Содержание пауков

Разобравшись с такой «дойкой», ученые перешли к вопросу содержания самих «коров». Здесь мы будем опираться на работу Д.Е. Харитонова [4]. Он отмечает, что при разведении пауков в ограниченном (тесном) помещении обычно сталкиваются с фактом их взаимного истребления, даже при наличии более или менее подходящей пищи. Через определенный промежуток времени в группе остается в живых только один паук. Причиной этого являются теснота помещения и скученность населения, обусловливающие близость доступной пищи. Более сильные, ловкие и агрессивные особи съедают более слабых. Пища, которую обычно давали группе пауков, например, мушки Drosophila, кажущаяся вполне подходящей (нежные кожные покровы, достаточно на разовый запас пищи), оказывается гораздо менее привлекательной для пауков, чем их собратья.

Однако, дело не только в качестве корма, но и в количестве. Бесперебойное снабжение массы пауков достаточным количеством корма представляется довольно сложным делом. Снижение темпа размножения насекомых, применяемых в качестве корма, может сильно отразиться на сохранении численности пауков. Здесь может прийти на помощь и оказать большую услугу смешанный из разных видов насекомых корм, или периодическое изменение корма. Попытки замены живой пищи мясом, яичным белком или нарезанными на куски дождевыми червями показали, что пауки могут питаться этой пищей, но как она отражается на скорости их развития и плодовитости, было не ясно.

Казалось бы, очень легко избегнуть затруднения, рассаживая воспитываемых паучков поодиночке. Однако при рассаживании паучков, только что вышедших из кокона, результат был один — паучки погибали. Как выяснилось при изучении этого вопроса, самки некоторых видов пауков остаются при коконе, ухаживают за малышами и подкармливают их.

Таким образом, содержание паучков в неволе для получения нитей непосредственно из бородавок путем выматывания требует огромных затрат сил, времени и средств, а результаты сравнительно скромные. Выматывание паутины в большинстве случаев приводит к быстрой смерти пауков.

Существует также другой способ получения нитей, который предполагает «добровольное» участие паука в производстве. Он применяется для изготовления антибактериальных медицинских повязок и описан в работе [2]. Посаженные в специальный контейнер пауки Linothele megatheloides (рис. 6) уже через час начинают свою работу и слой за слоем покрывают паутиной текстильную подложку контейнера площадью 1 м². Уже через два месяца паутины от одного паука хватит для покрытия всей поверхности человеческого тела.

Такой инновационный медицинский материал с паутиной может спасти жизнь человека с ожогами более 60% всей поверхности тела.

В результате наблюдений было установлено, что благодаря специальным добавкам к питанию приплод и выживаемость потомства Linothele megatheloides составляют почти 100%. Это в среднем 50 молодых особей — потенциальных производителей «второй кожи» — за полгода. На кормление одной самки уходит 2–3 таракана в неделю. Условия содержания пауков — это отсутствие солнечного света, высокая влажность (80–90%), температура 28°C, комплексное питание и капельное опрыскивание паутины раз в неделю. При создании благоприятных условий кормления, содержания, ухода и «доения» пауков можно добиться увеличения паутинопрядения в 2–3 раза.

Рассмотренные способы содержания пауков показали, что «добровольный» труд пауков намного продуктивнее, чем принудительное выматывание паутины из них в лаборатории. Получается, что с пауками нужно поступать так же, как и с любыми другими живыми существами: труд не должен быть рабским и принудительным.

Метод «добровольного труда» на данный момент показал себя весьма эффективным и позволяет добиваться хороших результатов. Тем не менее на данный момент еще нельзя сделать окончательных выводов о широком использовании этого метода в будущем. Все зависит от того, для каких целей и с какими пауками его применять.

Безусловно, приучение пауков к спокойной и сытной жизни на паутинной ферме еще не до конца отработанный и изученный процесс. Природа более 200 млн лет проводила селективный отбор этих членистоногих, в том числе эволюционировали их паутинный и ядовитый аппараты [11]. А у современных ученых нет даже нескольких тысячелетий, как у древних китайцев, приручивших гусениц тутового шелкопряда.

Биотехнологии продолжают развиваться. Возможно, ученым придет на помощь генная инженерия. Можно ведь характер паука изменить и сделать его более спокойным или тутового шелкопряда «модернизировать», введя ему, например, рекомбинантную ДНК паутины. Уже сейчас определен точный набор генов для синтеза каждого вида паутины, вырабатываемого железами паука. В работе [12] представлен первый аннотированный геном паука-кругопряда, каталогизирующий 28 спидроинов Nephila clavipes, в том числе 8, о которых ранее не сообщалось.

Легкая, почти невесомая паутинка прошла долгий путь эволюции, и теперь на основе знаний о ее химическом составе новые промышленные компании разрабатывают синтетические волокна. Может быть, через несколько лет производство биосинтетической паутины достигнет таких масштабов, что из синтетического паутинного шелка будут шить, например, одежду. Но нам всегда хочется прикоснуться к чему-то натуральному! И остается мечта, придя в магазин, задать продавцу вопрос: из какого именно шелка изготовлен этот шарфик — шелкопрядного или паучьего?

Литература

1. Агапова О.И. (2017). Биоинженерные конструкции на основе фиброина шелка и спидроина для регенеративной медицины и тканевой инженерии (обзор). «Современные технологии в медицине». 2, 190–206;
2. Технология использования паутины в медицине;
3. «Умный» клей из паутины;
4. Харитонов Д.Е. Проблема получения паутинного шелка и пути к ее разрешению // Молотовский государственный университет. Ученые записки (т. 4, вып. 2). Молотов: [б. и.], 1945 (печ. 1946). — С. 27–36.;
5. Denny M. (1976). Physical properties of spider's silk and their role in the design of orb-webs. The Journal of Experimental Biology. 65, 483–506.;
6. Marie-Eve Rousseau, Thierry Lefèvre, Michel Pézolet. (2009). Conformation and Orientation of Proteins in Various Types of Silk Fibers Produced by Nephila clavipes Spiders. Biomacromolecules. 10, 2945-2953;
7. A. H. Simmons, C. A. Michal, L. W. Jelinski. (1996). Molecular Orientation and Two-Component Nature of the Crystalline Fraction of Spider Dragline Silk. Science. 271, 84-87;
8. Лекция 6. Молекулярная биология. Нуклеиновые кислоты. Present5.com;
9. J. D. van Beek, S. Hess, F. Vollrath, B. H. Meier. (2002). The molecular structure of spider dragline silk: Folding and orientation of the protein backbone. Proceedings of the National Academy of Sciences. 99, 10266-10271;
10. Любимова Г.Н. (1946). К вопросу о паутинной продукции Araneus marmoreus. «Известия Естественно-научного института при Молотовском гос. универ. им М. Горького». 3, 15–18;
11. Великому комбинатору и не снилось: комбинаторика токсинов пауков;
12. Paul L Babb, Nicholas F Lahens, Sandra M Correa-Garhwal, David N Nicholson, Eun Ji Kim, et. al.. (2017). The Nephila clavipes genome highlights the diversity of spider silk genes and their complex expression. Nat Genet. 49, 895-903;
13. Элементы: «Какие узлы использует паук когда плетет паутину?».