Конкурс «Био/Мол/Текст»-2022/2023

Эта работа опубликована в номинации «Грани жизни» конкурса «Био/Мол/Текст»-2022/2023.

Партнер номинации — Сколтех: университет, который основан в 2011 году командой российских и зарубежных ученых с мировым именем.

---

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

Если в начале XIX века британские дедушки-моряки стали первыми в истории людьми, начавшими носить настоящие свитера, ведь те защищали их от воды и дождя, то к середине XIX века их жены, бабушки-домохозяйки, которые хотели похудеть, стали первыми в мире двигателями свитерового прогресса, ведь врачи ввели в моду занятия в них физическими нагрузками для снижения веса. Одним словом, потеть в свитере, следуя значению слова to sweat, стало общепринятым. Сегодня же дедушки рассказывают нам о дальних краях и межгалактических странствиях, учат играть в шахматы и мастерить, а бабушки кормят сладкой манной кашей, расцеловывают в щечки и укладывают в дорогу яблочные пирожки с теми самыми теплыми вязаными свитерами в надежде, что их мода актуальна и для нас.

Времена бегут, но по-прежнему по приезде мы стыдливо прячем ветошь с летящими оленями по шкафам, озираясь, как бы Петька из соседнего дома не увидел, и уносимся во взрослую жизнь. Судьба, проверяя, из чего мы состоим, неумолимо распускает нашу собственную пряжу, подпаливает выбившиеся нити, пачкает наши пестрые стежки и петлички — мы едва ли остаемся живы, обнаруживая, что от богатой, вложенной в нас природой, пряжи не осталось и следа, и теперь лишь каркасная осевая напоминает о нашем изначальном виде. Тогда-то мы достаем из шкафа причудливый бабушкин свитер, и уже в нем штурмуем новые должности, воплощаем мечты, обретаем счастье, находим любовь и верных друзей. Теперь старенький свитер защищает от всех невзгод и неудач, сам при этом разрушаясь. Каждому возрасту — своя беда. Но напрасно мы пытаемся его залатать, ведь, зашивая нашими обычными нитями, мы пытаемся воскресить время, которое невозможно повернуть вспять человеческой рукой. От далеких мореплавателей до их потомков не дошел ни один из свитеров. Поэтому и у нас, пожалуй, нет основания полагать, что бабушкины свитера уцелеют в непрестанном сражении со временем. Разгадку этого парадокса несложно найти в японской философии искусства. Согласно ей, ответы на все тайны, что нам пока не раскрыты, нужно искать в природе. А формулу «золотой нити», способной сохраниться на века — в кинцуги по-паучьи! В нашем лонгриде мы сперва попробуем разгадать смысл чьей-то жизни, затем познакомимся с идеей красоты недостатков и несовершенств, познаем себя сквозь призму природы, узнаем, действенна ли техника ëбицуги, попытаемся освоить художественный язык и придем к истине кинцуги по-паучьи.

Но сначала неплохо было бы немного вспомнить о кинцуги по-человечески.

Предание гласит, что кинцуги — традиционная японская техника реставрации керамических изделий с помощью особого природного лака дерева Урус с примесью драгоценных металлов — появилось, когда сёгун Асикага Ёсимаса отправил свой любимый разбитый чайный сервиз в Китай в надежде, что мастера восстановят его целостность, однако был огорчен несуразностью металлических скреп, которыми китайцы решили соединить осколки. Тогда, особо почитая искусство чайной церемонии, он поручил японским мастерам найти более эстетичные методы реставрации, и те стали заливать трещины жидким золотом. Старая вещь лучше новых двух, считали они, и отлично реализовывали мысль на практике.

В XXI веке мы не готовы верить в канувшие в лету догматы и тратиться на подобную чепуху, ведь эпоха консьюмеризма одарила нас возможностью выбрасывать потрескавшееся и быстро находить ему замену в ближайшем гипермаркете по низкой цене. Как ни странно, в результате вещей вокруг становится всё больше, а вот действительно ценные предметы, которые несут в себе историю, воспоминания и неповторимую философию, оказываются на мусорках — в противоположность одноразовому, испепеляющему одну только задумку что-то залатать.

Язык в этом плане более гуманен, поэтому порой до истины несложно докопаться, осознав лишь значение слова. Раз уж говорим мы сегодня про кинцуги по-паучьи, следовало бы покопаться в значении этого слова. Мало кто знает, что кинцуги дословно в переводе с японского означает «золотая заплата» или «золотой шов». Эта метафора как нельзя лучше передает суть главного вопроса нашего лонгрида, на который каждый в финале ответит по-своему. И вместе с тем, именно она раскрывает значимость новейших открытий, касающихся паучьего шелка, будто бы эти открытия продиктованы самой природой: «Недавний прогресс позволил производить рекомбинантный белок паучьего шелка NT2RepCT так, что производство и коммерциализация полученных волокон экономически целесообразны» [1] и «Биомиметическое прядение мини-спидроинов действительно приводит к получению волокон с повышенной прочностью на растяжение, а два типа волокон демонстрируют прочность, равную прочности натурального паучьего шелка» [2]. Подумать только! Перспективы включения этой натуральной ткани в массовое производство открывают не менее волшебную возможность навсегда сохранить свитера, носки, варежки и шапки, связанные нашими любимыми бабушками, а значит — не дать разрушиться вещам, порождающим дорогие сердцу воспоминания. Если вы уже предвкушаете момент, когда бабушки вместо шерсти начнут массово скупать паучьи клубки, а мы будем расхаживать в свитерах, вовсе их не изнашивая, этот лонгрид поможет вам убедиться в том, что самые смелые задумки, обрамленные в научную основу, сбываются.

Икигай: смысл чьей-то жизни

Это делает вас счастливыми, заставляет улыбаться и вставать по утрам. Ваш икигай может меняться со временем, быть проектом на всю жизнь или множеством мелких повседневных радостей. И у каждого икигай свой. Разберемся, какой же у наших ученых.

Во времена вездесущей синтетики и одноразовых хлопчатобумажных вещей сложно представить себе образ жизни, побуждения и мысли человека, который тратит годы и десятилетия на то, чтобы создать что-то совершенно отличное от уже, казалось бы, успешно функционирующих в промышленном производстве натуральных и искусственных тканей. Зачем придумывать велосипед? Однако уникумы от науки, которые ищут формулу «золотой заплатки» для того самого бережно хранящегося в шкафу свитера, подаренного бабушкой, существуют. И для них, очевидно, вопрос «Зачем склеивать разбитую чашку?» аналогичен вопросу «Для чего искать формулу долговечной натуральной ткани?». Еще 20 лет назад в мире насчитывалось не более десяти исследовательских групп, изучавших свойства белков паутины и особенности их формирования. Сегодня количество команд увеличилось до нескольких десятков, и с каждым годом три доминирующие биотехнологические компании — японская Spiber, немецкая AMSilk и американская Bolt Threads — приближают тот момент, когда паутина прочно войдет в нашу жизнь.

Стартап Spiber Казухиды Сакиямы сначала держался исключительно на энтузиазме ученых, изучающих новые материалы. В 2009 году полученный ими на основе бактерии двухсантиметровый кусочек ткани заинтересовал фэшн-гиганта North Face. С тех пор Spiber под брендом Moon Parka начал выпускать парки из паучьего шелка. Компания, несмотря на кризис, выпустила коллаборацию с дизайнером Юимой Наказато, участвует в конференциях и открыта к сотрудничеству, по-прежнему пытаясь снизить стоимость материала до ста долларов за килограмм.

Немецкий стартап AMSilk, в свою очередь, тоже производит шелк — под маркой Biosteel. Но эта компания больше ориентирована на сотрудничество с крупнейшим производителем кроссовок Adidas и с нишевой корпорацией по созданию грудных имплантов Polytech. Ее разработки направлены на экологичность. Как мы видим, AMSilk делает упор на медицинские нужды и поддержание достойного качества жизни человека.

Стартап из Калифорнии Bolt Threads основали всего три человека — ученый Дэвид Бреслауэр, менеджер Дэн Видмейер и предприниматель Итан Мирски. Они запатентовали волокно Microsilk^TM, выпустили галстуки из паучьего шелка и запустили коллаборацию с брендом Stella McCartney. К слову, компании понадобилось 90 километров паучьего шелка, чтобы изготовить всего 50 галстуков. 314 долларов — не такая уж низкая цена за штуку, но галстуки быстро разлетелись благодаря организованной Bolt Threads лотерее. Кроме этого, компания стала крупным поставщиком спидроинов для косметики — особенно веганской, такой как Vegamour.

Выбивается из этого ряда Kraig Biocraft Laboratories, которая владеет наиболее передовыми технологиями обработки искусственного спидроина. У компании имеется своя линия производства и запатентованный материал DragonSilk. В 2019 году ее дочерняя компания Prodigy Textiles, специализирующаяся на высокопрочных технологичных тканях, открыла производственные мощности во Вьетнаме и, очевидно, пошла по пути развития текстильной промышленности: предоставляет материалы для производства бронежилетов, автомобильных подушек безопасности, страховочных ремней, парашютов, сетей и спортивных товаров.

Кинцугисты, кинцугеры или кинцужники сегодняшнего материала — это группа ученых под руководством Анны Райзинг. Как говорит сама Анна, проработав несколько лет ветеринаром, она решила получить докторскую степень и присоединиться к проекту ЕС, целью которого стало производство искусственного паучьего шелка для медицинского применения. Проект начался с приключенческой поездки Анны в Южную Африку, где ей было поручено собрать 100 пауков из дикой природы. «С тех пор я просто очарована этим невероятным материалом — паутиной — и пауками, которые его производят», — делится своими эмоциями Анна. В 2007 году она получает степень доктора философии и вскоре после этого основывает компанию Spiber Technologies AB для коммерциализации результатов исследований, где по 2012 год занимает должность генерального директора. Также в 2011–2017 годах она работает ассистентом профессора в Каролинском институте, а сейчас трудится старшим преподавателем трансляционной медицины в Университете Сент-Луиса, а также с 2018 года — профессором ветеринарной медицинской биохимии.

Анна — одна из тех людей-уникумов, которые мало того, что не являются арахнофобами, но и готовы часами возится с паукообразными, ведь они видят в мини-спидроинах будущее текстильной промышленности. А неотступное время, как всегда, лишь «подсвечивает» в их ладонях и актуализирует то, что раньше претендовало на звание «тени индустрии» и разрабатывалось единичными группами исследователей безо всякого финансирования. Так, согласно последнему маркетинговому исследованию рынка тканей, из-за климатических проблем в основных странах-экспортерах хлопка — Соединенных Штатах, Бразилии, Индии, Пакистане — мировые цены на это стратегическое сырье выросли на 30%, что является рекордной величиной с 2011 года. И ситуация, по словам экспертов, чревата для России подорожанием огромного ассортимента товаров, в производстве которых используется хлопок — от медицинской ваты и марли до одежды и картона. Производство же шелковых тканей за 5 лет в России сократилось почти в 3 раза с 2017 по 2022 год. Сокращения коснулись также льняных и ворсовых, то есть, вкупе, практически всей категории натуральных тканей, чего никак не скажешь о категории синтетических и искусственных. Производство последних, по сравнению с пандемийным годом, повысилось на 15%. Человечество однозначно любит синтетику.

Однако с синтетикой сопряжено множество долгосрочных проблем, что понимает и команда Анны. Никто не исключает, что угроза образования не только «пластиковых», но и «синтетических островов» и так называемых «больших мусорных пятен» однажды может стать актуальной и не так легко разрешимой, ведь климатические изменения, повлиявшие в 2022-м на производство натуральных тканей, уже заявили о себе. Бóльшее задействование искусственных тканей — это бóльшие объемы утилизации синтетики, а значит, еще бóльшее изменение климатического фона, сокращение выращиваемых натуральных тканевых культур, их подорожание как в первичном, так и в обработанном виде, бóльшая вероятность тотального ухода с рынка натуральных тканей и, наконец, полное господство искусственных волокон. Всё это замкнутый круг раскручивающегося колеса, которому когда-то суждено остановиться по воле природы.

Учитывая неизбежный рост численности населения планеты и связанный с этим рост потребления носимых изделий в течение следующих 30–50 лет [3], возникает необходимость снизить воздействие носимых нами тканей на окружающую среду на протяжении всего их жизненного цикла (производство, стирка, утилизация) [4]. Основное преимущество искусственных волокон состоит в том, что их можно производить в огромных количествах для самых разных целей при относительно низких затратах [5]. Однако ущерб, наносимый окружающей среде после их производства, не сравним ни с чем. Эти материалы в основном получают в результате полимеризации нефтехимических мономеров при воздействии высоких температур и обработки с использованием вредных растворителей. После их прядения часто требуется обработка дополнительными вредными химикатами. Но это только производство — на жизненном этапе носки и утилизации всё еще плачевнее. Например, при стирке 5 кг полиэфирных тканей высвобождается более 6 000 000 микроволокон, которые остаются в окружающей среде и могут выступать в качестве резервуаров для органических загрязнителей [6]. Попадая на свалки или в дренажные системы, волокна просачиваются в почвенные и океанические экосистемы, где разлагаются в течение 10–1000 лет [7]. За это время они, вне всяких сомнений, попадают в пищевую цепочку животных, в том числе человека.

Исходя из экологических и статистических факторов становится понятно, что сегодня самое время задуматься о реальном внедрении паутины. Несмотря на политическую и экономическую обстановку в стране и снижение частных инвестиций в отрасль рынка тканей, статистика инвестиционного климата позитивна для будущих выгодных вложений, уверены маркетологи. А вложения в исследование паутины — так же бесполезно-незаменимо, как ваби-саби.

Ваби-саби, или изящество простоты

Принятые в западном мире идеалы совершенства — вечной молодости, неизменности, безукоризненности — во многих отношениях нереальны, а если и достижимы, то, в общем-то, не приносят утешения. Ваби-саби — это о том, что куда приятнее раствориться в принятии того, что мы не можем достигнуть.

Согласно греческой мифологии, когда-то девушку по имени Арахна превратили в паука и обрекли на вечное плетение паутины за то, что та осмелилась соперничать с богиней в искусстве ткачества. Паукообразных же стали называть в честь обреченной — арахнидами. Позже древнеримский поэт Публий Овидий Назон зафиксировал такое представление о пауках в «Метаморфозах». Благодаря натуралисту Карлу Клерку — и на беду арахнофобов — наши предки в 1757 году узнали и зафиксировали информацию о первом в мире пауке [8]. Не то, чтобы до этого момента пауков не было — нет-нет: в куске янтаря из Мьянмы навсегда застыл паук с длинным хвостом, живший на Земле 100 миллионов лет назад, что свидетельствует о том, что в девонском периоде палеозоя земноводные вышли на сушу и поселились в такой же, как они, новоиспеченной почве и первых хвойных и папоротниковых лесах.

До «выхода в свет» паукообразные благополучно жили в водной среде и питались рыбой: именно так поступал знаменитый гигантский ракоскорпион. К счастью, тогда еще люди не ведали о существовании арахнофобии, которой сейчас страдает треть всех женщин и пятая часть мужчин. По одной из гипотез, боязнь пауков появится позже, во время эпидемий чумы 18–19 веков: тогда люди посчитают, что пауки переносят заразу. С тех незапамятных времен родители начали внушать детям, что нужно бояться этих существ, а бесстрашные исследователи продолжали открывать новые виды. За последующие 266 лет учеными описано еще 50 000 видов, включая юбилейный — Guriurius minuano, или южноамериканский скакунчик, обнаруженный в Уругвае, Бразилии и Буэнос-Айресе командой бразильско-уругвайских арахнологов в 2022 году.

Пауки заселили самые разные биотопы: на суше они встречаются от пустынь до тундр. Если же попробовать посчитать примерное количество особей на Земле, то выйдет, что нас окружают около тысячи пауков на квадратный метр площади! Это сравнимо с заселенностью больших мегаполисов. Однако на людей пауки похожи не только плотностью населения, но и тем, что они любят хорошенько пообедать, ведь, несмотря на свой размер, они съедают до 800 тонн добычи в год [9]. Конечно, до 400 миллионов тонн, съедаемых ежегодно человечеством, здесь еще далеко, но и продолжительность жизни у пауков меньше — самый старый в мире паук умер в возрасте 43 лет после того, как на него бессовестным образом напала оса.

Кроме того, пауки (и прочие членистоногие) — это потрясающие химические заводы (об этом вы можете прочитать в материале «Великому комбинатору и не снилось: комбинаторика токсинов пауков» [10])!

Хотя не все из 50 000 видов пауков в мире плетут паутину и трудятся на славу рода, отметим, что паук может выделять до шести разных по свойствам и строению нитей:

• для внешних касательных и каркаса паутины (обычно эта нить крайне прочная);
• для ловли жертвы (липкая, эластичная и прочная);
• для выведения потомства в коконе (напоминает затвердевший шелк);
• для обволакивания тельца добычи (может быть в 2–3 раза прочнее каркасной паутины);
• для временных линий во время строительства основной паутины, которые потом паук разрушит;
• для создания креплений между линиями паутины или между паутиной и местом ее крепления.

Многие задаются вопросом: «Почему пауки сами не прилипают к своей же паутине?». Этому ученые находят следующее объяснение: во-первых, липкими являются именно круговые нити, а центральные не пропитаны клейким веществом; во-вторых, маленькие волоски на лапках паука позволяют ему временно снимать капельки клея с ниток, а особое вещество на лапках снижает уровень взаимодействия с клеем.

Удивительно, но внутреннее оплодотворение, которому предшествует спаривание, тоже не обходится у пауков без применения паутины. Для того, чтобы перенести сперму с нижней стороны брюшка, где расположено мужское половое отверстие, в спермофор бульбусов (копулятивный орган самцов, расположенный на передних конечностях — педипальпах, или ногощупальцах) используется так называемая сперматическая сеточка треугольной либо четырехугольной формы. Прижимаясь брюшком к горизонтально расположенной сеточке, самец оставляет на ней капельку семенной жидкости и погружает в нее концы педипальп, сперма заполняет узкий канал спермохранилища.

Начнем с того, что в большинстве случаев паук находит самку, следуя по оставленной самкой нити, подобно тому, как в сказках Иван по отданному Бабой-ягой клубку добирается до места назначения. Процесс ухаживаний бывает разным, но паутина в нем тоже задействована у многих видов. Например, мужские особи некоторых тенетников (сем. Theridiidae) плетут по соседству с сетями самки свои, меньшие по размеру, брачные сети, на которые ее заманивают ритмическими движениями ног. Пауки-крестовики (рода Araneus) прикрепляют к радиальным нитям сети возлюбленной горизонтальную паутинную нить и, расположившись поудобнее, начинают барабанить по ней ногами, задавая музыкальный ритм. Готовой к спариванию самке только остается спуститься к «музыканту». Самцы паука-волка «играют» песни на опавших листьях, чтобы привлечь внимание самок. Паук быстро барабанит лапами по сухому листу с разной частотой, создавая едва уловимую вибрацию, которую прекрасно чувствуют сородичи. Разновидность паука-волка под названием Gladicosa gulosa издает слышимый звук, с которым можно познакомиться по ссылке: 4pAB3 — Can a spider „sing“? If so, who might be listening? — Alexander L. Sweger, George W. Uetz.

В откладке яиц нет ничего более важного, чем паутина: на основной, специально сплетенной пластинке (аналоге сперматической сеточки самцов) будущая мама откладывает яйца, а затем связывает их сверху паутинной кроющей пластинкой. Шарообразные, дисковидные и грушевидные коконы изготавливаются из прямых, вплотную сплетенных нитей, пропитанных секретом изо рта самки, и на ощупь они чаще похожи на пергамент, чем на вату.

В случае с паучатами, «птенцы вылетают из гнезда» по-МэриПоппински, на паутинках. Молодые паучки забираются на возвышения и, подняв брюшко навстречу взрослой жизни, выпускают паутинную нить. Уносимые воздушными токами паучки на паутинках покоряют значительные высоты (до 2–3 км) и переносятся на большие расстояния. Среди мелких видов такую аэромиграцию практикуют и взрослые особи. Поэтому неудивительно, что случаются массовые залеты мелких пауков на суда, находящиеся в сотнях километров от берега.

Взрослея, паук осознает, что должен прокормить себя. Особенности национальной охоты различны у тенетных и нетенетных форм: первые предпочитают плести ловчие сети-тенеты, а вторые бравируют ловлей без всяких инструментов. Но только настают тяжелые времена — смельчаки уже готовы «переобуться». На охоте случается разное: если кто-то стремится поймать членистоногое, оно кидается вниз, оставляя за собой нить, по которой, как по канату, поднимаются обратно на сеть. Возвращаясь по страховочной нити, паук не забывает о мерах безопасности — он сматывает ее и съедает. Когда спокойным летним деньком южнорусский тарантул (Allohogna singoriensis) решает пройтись по делам и покинуть норку, он обязательно оставляет позади незаметную паутинную пить, по которой сможет возвратиться домой. Свирепый тарантул оказывается беззащитным: если кто-то порвал эту нить, он не в силах отыскать путь домой и ищет новое убежище. Кстати, свободноживущие пауки, как наездники, прикрепляют такой шелковый канат к субстрату, перед тем как резко прыгнуть на добычу.

Пауки пользуются тремя тактиками нападения: подстерегают жертву в засаде, подкрадываются на короткое расстояние для решающего броска и конструируют ловчие паутины. Последняя позволяет увеличить ареал отлова и побаловать себя насекомыми, по размерам намного больше самих охотников, без лишних ранений жалами, и тому подобное. Пауки-птицееды поднимают добычу высоко и, держа в хелицерах, под ней сооружают небольшую «тарелочку для съестного» — паутинку-подстилку, к которой и прикрепляют свою жертву. Пауки, живущие в норках и трубках, протягивают сигнальные нити из самого логова, чтобы, даже дремля, знать, что приближается добыча. Встречаются среди пауков и хитрецы-рыбаки наподобие Dipoena tristis, которые, свисая с паутины, как с каната, просто вылавливают насекомых в местах их скоплений. Водятся среди членистоногих и ковбои наподобие тропических африканских пауков рода Cladomelea, которые с помощью третьей пары ног быстро размахивают нитью с каплей клейкого вещества, вертя ее вокруг себя, и вылавливают беззащитных жертв, подтягивая нить к себе. Американский тропический паук рода Glyptocranium, медленно подкрадываясь к жертве, стремительно бросает свой «аркан» и подтягивает зацепившееся насекомое к себе. Подобно какому-то грабителю средневековья, тропический паук Dinopis spinosa всё время держит свою паутину на кончиках ног, но стоит ему заметить поблизости добычу, паук бросает на нее сетку и, как в мешке, тянет к себе. Более ленивы, но не менее остроумны в этом плане крибеллятные пауки рода Miagrammopes, которые плетут между двумя деревьями одну нить, снабжая среднюю часть обилием крибеллярных нитей: отдыхая на одном конце и по вибрации ощутив добычу, они ослабляют конструкцию, и добыча вмиг запутывается.

Но маленький паучок, даже если поймает, вряд ли сможет съесть мегакрупную добычу, поэтому он наносит на ловчие сети стабилиментумы — узоры, отражающие УФ-лучи. Они делают паутину различимой для птиц, а заодно и притягивают насекомых-опылителей (рис. 1Б, рис. 1В, рис. 1Г). По этому же принципу цветки притягивают пчел: например, центральная область цветка поглощает ультрафиолетовые лучи и не отражает их, в отличие от периферии. Как только пчела попадает на невидимую для человека пограничную линию, отделяющую периферическую зону с ее ультрафиолетовым отражением от центральной, поглощающей эти лучи, она легким толчком наклоняет голову и расправляет хоботок.

Любой паук знает: отменно поохотившись, можно и поспать, поэтому, например, скакунчики рода Evarcha остаются ночевать на страховочных нитях, прикрепляя один конец к объекту, а на другом повисая. Для периода зимовок и линек паук плетет себе полотнища-покрышки и паутинные мешки.

Древнейшие отпечатки паутины датируются в 240 миллионов лет до н.э., а найденного окаменелого брюшка — в 380 миллионов лет. Исследователи предполагают, что изначально секрет не имел вид привычной нам нити и выделялся из лапок. Предполагают — поскольку мягким покровам тех пауков вряд ли возможно дожить до времен, когда их исследуют палеонтологи.

Дошедшие до нас редчайшие останки позволили ученым говорить о строении желез протопауков: такое разнообразие паутинных нитей тоже было не всегда, ведь уже упомянутые нами девонские протопауки не создавали ловчих нитей, а могли использовать паутину лишь для оборачивания яиц в кокон и привлечения партнера. Прядильные трубочки у предков паукообразных имелись, но бородавок-фильер, придающих форму и соединяющих нити, еще не было. Паутинные железы по строению были схожи с лейкой с 12 отверстиями, через которые выделялся секрет. А сейчас, как видим, у паука больше возможностей.

Чтобы разобраться с ними, возьмем за пример Araneus diadematus с самым большим количеством желез, и будем поочередно произносить названия всего арсенала его желез, как заклинания из Гарри Поттера (рис. 2) [11]:

1. g. aciniformes, или, по-простому, дольковидные железы, отвечают за создание мягкого слоя кокона и используются для оборачивания жертвы, чтобы она не выпала из хелицер паука. Они многочисленные и мелкие, собраны в четыре густых пучка по 80–90 желез в каждом, располагаются... (это будет сложно представить, но... ) поодиночке впереди основания каждой задней и внутренней бородавки. Каждая железа имеет форму небольшого овального мешочка, от которого отходит тонкий выводной проток.
2. g. piriformes, по-народному, грушевидные железы, отличаются от дольковидных гистологией и базофильным секретом. В остальном схожи с предыдущими, даже формой и размерами.
3. g. tubuliformes, или, по-строительному, трубковидные железы, нужны для изготовления верхнего более прочного и жесткого слоя кокона; в количестве трех пар лежат впереди паутинных бородавок, прилегая к брюшной стенке тела. Они, согласно названию, должны иметь вид протяженных извитых цилиндрических трубок и соответствуют представлениям филологов. Протоки их открываются на задних и внутренних бородавках.
4. g. ampullaceae, или, по-страшному, большие ампуловидные железы, служат для основного «тела» полотна; нити ложатся точно на клейкие капельки; по 4–6 пар огромных желез, достигают переднего конца брюшка, где передняя пара загибается даже в дорсальном направлении по бокам от гонад. Внешне они сходны с трубковидными железами, но каждая в своей средней части сильно вздута. Из малой ампуловидной железы выделяется секрет, необходимый для создания дополнительной спирали в ловчей зоне.
5. g. aggregatae — древовидные железы — нужны для формирования нитей внутреннего контура паутины; капельки клея с этих нитей распределяются по всей длине четко и на определенном расстоянии; представлены двумя парами очень крупных, неправильно ветвящихся лопастных желез. Их длинные и тонкие протоки покрыты мелкими одноклеточными железками, отчего имеют неровную бородавчатую поверхность. Две передние пары значительно крупнее задней. Древовидные железы связаны с задними паутинными бородавками.
6. g. accessores — дополнительные железы. Одна пара, похожая отчасти на трубковидные железы, но без паутинных трубочек.
7. g. coronariae — венечные железы — помогают сформировать внешний контур паутины и прикрепить ее к нужному объекту: коре дерева, лампочке, к крыше; птицееды используют эти нити для укрепления своей норы и создания «воздушных» туннелей на дереве.

Все эти объемистые паутинные железы спрятаны в обширном подвижном брюшке, способном растягиваться. Секрет железы помогают выделить паутинные бородавки (рис. 3Б), некогда бывшие брюшными конечностями и не утратившие свою подвижность. Отсюда паук уверен, что пустит паутину в нужном направлении и не промахнется, а в случае чего он сможет воспользоваться семичлениковыми конечностями головогруди и подкорректировать потенциальную точку попадания. Природа, кроме того, одарила паука настоящей швейной фабрикой «под ключ» с чесальными и прядильными инструментами (рис. 3Г): гребенчатым коготкам и рядам щетинок на конечностях, пожалуй, обзавидовался бы сам Кристобаль Баленсиага.

Но не сразу всё устроилось, как мы уже отметили, и, согласно наиболее поддерживаемой гипотезе американского исследователя поведения пауков Г. Мак-Кука, у примитивных первопауков не было никакой паутины: они оставляли лишь следовые метки выделениями специальных желез, расположенных в основании конечностей. Спустя годы (а скорее, миллионы лет) эволюции функция желез перешла к коксальным, находящимся у современных потомков впереди, и, частично редуцировавшись, осталась на брюшке, запустив реформирование паутинных бородавок. Только теперь вместо следовых выделений из железы выходил эластичный протеиновый шелк. Подтверждением этому служит доказанное на основе изучения индивидуального развития происхождение паутинных бородавок от рудиментов брюшных конечностей.

Можно было бы так же, как Р. Покок и В. Бристоу, предположить, что паутина выходила из ротового отверстия для смазывания кладки яиц, или, подобно Артуру Дикэ [12] — что паутина у первопауков появилась в водной среде для защиты нор от разрушения и загрязнения; но в науке придерживаются концепции Г. Мак-Кука.

У пауков есть, как мы уже выяснили, паутинные бородавки — это место выхода паутины в свет, а по совместительству — своеобразные наросты, располагающиеся по 1–4 паре в полости брюшка под печенью в опистоме, или нижней части тельца. Они бывают подвижные и способные уловить запах в зависимости от вида членистоногих, но в целом частично покрыты паутинным полем, усеянным паутинными трубочками, похожими на тонкие волоски. Трубочки служат выходными протоками внутренней железы и делятся на две части — толстую (базальную, внутреннюю) и тонкую (формирующую, концевую).

Паук прижимает паутинные бородавки к объекту, за который хочет закрепиться, продолжает вытягивать секрет из трубочек при помощи задних ног, при этом перемещаясь.

В железе паутина жидкая. Претерпевая процесс биосинтеза, она сначала продвигается через железу и постепенно становится более кислой (уровень pH снижается с 7,2 до 6,3). Под воздействием сил сдвига и удлинения изменяется и сама структура ― из жидкой она превращается в затвердевшие тонкие гладкие нити с диаметром от одного до десяти микрометров. Затем ей предстоит пройти по сужающимся трубочкам к фильере (отверстию, через которое выходит паутина) — там молекулы белка выравниваются параллельно оси волокна, происходит частичная кристаллизация. В конце канала шелк присаживается, и часть воды, выполняющей роль растворителя, испаряется [13].

Но, как оказалось, важным является не только то, из чего паук прядет паутину, но и то, как он это делает в плане последовательности. В исследовании 2021 года, посвященном выявлению различных алгоритмов движения паука во время прядения, для наблюдения за работой пауков ученые использовали инфракрасные камеры [14]. Глобальная цель этого исследования — повысить точность результатов биологических прогнозов и идентификации состояния живого существа — всё еще не достигнута. Однако нам в этом исследовании важно другое. Результаты показывают, что пауки, как правило, плетут паутину по одному и тому же сценарию или алгоритму, стадия за стадией; и что определенный тип поведения паука позволяет предсказать, на какой стадии плетения он находится в настоящее время.

Как и многие другие примеры архитектурной работы живых существ, паутина — это результат нескольких стадий сборки, которая управляется различными поведенческими паттернами. В ходе наблюдения выявился целый ряд сенсорных сигналов и паттернов движения, используемых при создании ловчей сети. Применяя неконтролируемый кластерный подход, ученые определили общие и специфические движения ног для конкретной стадии. В целом, полученные результаты свидетельствуют о том, что последовательность построения пауками сети закодирована в их мозге. Вопрос о том, кодируются ли эти «архитектурные инструкции» на уровне нейронов, всё еще остается открытым (см. видео 1).

Типичный процесс плетения (рис. 4), как было выявлено, у U. diversus начинается с протонитей, за которой следует построение радиальных нитей и каркасных прямых, затем прядется вспомогательная спираль, затем — спираль захвата. Для некоторых видов, таких как наш U. diversus, паук не забывает и о стабилиментумах. U. diversus тратит значительное количество времени на изучение места и сначала строит как бы «черновик» своего будущего полотна, неорганизованную сеть, называемую «протонитями» (оранжевая траектория на рис. 4). Эти паутины плетутся пауком с длинными нерегулярными паузами, которые могут длиться до 8 часов. Считается, что эта стадия — исследовательская, в ходе которой паук оценивает структурную целостность пространства и определяет опорные точки, которые будут служить как бы фундаментом паутины. По окончании плетения протонитей наступает «рекламная пауза» под названием «Попьем чайку, разгоним тоску!» — она длится от нескольких минут до нескольких часов.

Перед тем, как паук переходит к построению радиальных и каркасных нитей, он сначала удаляет бóльшую часть протонитей, а те, что не убирает — корректирует так, чтобы теперь они могли служить радиальными, и строит задел для каркасных линий. Эта ранняя фаза построения радиальных нитей часто сопровождается выходами паука наружу вдоль линии радиуса и возвращением вдоль вновь закрепленной линии (зеленая траектория на рис. 4). Это характерно для построения новых радиальных линий путем продвижения наружу по предыдущему «наброску» радиуса, а затем закрепления нового шелка на первичном полотне на угловом расстоянии от предыдущей линии и, наконец, возвращения к исходному положению по этой новой линии.

Как только радиусы и каркас собраны, паук опять ненадолго останавливался, а затем по спирали выходит из ступицы , создавая вспомогательную спираль (голубые траектории, на рис. 4). Этот этап длится всего несколько минут с небольшими паузами. Считается, что эта стадия помогает пауку укрепить и уравновесить структуру полотна для последующего построения спирали захвата. Вспомогательная спираль — временный «костыль», и убирается в тот самый миг, когда паук по окружности удаляется к центру от периферии, чтобы создать спираль захвата (розовые траектории). Как только паук закончил с этой стадией, он остается в центре, и иногда задерживается там на несколько дней, ожидая свою первую добычу. Таким образом он тестирует сеть. Стоит сказать, что пауки не обязательно прядут жестко по этому «регламенту» (рис. 5): они часто прерывают какой-либо из этапов, чтобы исследовать или модифицировать линии, а затем просто продолжают прясть по алгоритму.

Ступица — это центральная верхняя часть паутинного полотна, по аналогии с центральной частью вращающейся детали с отверстием для насадки на вал или ось.

В ходе наблюдения было выявлено, что задние ножки в основном используются пауками для вытягивания и/или фиксации того направления, в котором шелк необходимо поместить на полотно. Даже ходьба по шелку в основном выполняется медиальными и передними ногами. Более медленное вытягивание волокна было характерно для плетения протонитей, радиальной и вспомогательной спиральной стадий. Более быстрое вытягивание было характерно для расчесывания шелка, его захвата. Последовательный процесс прядения можно посмотреть на видео 2.

Кстати, мы еще ничего не сказали про две разные технологии поимки пауками добычи — крибеллатную и экрибеллатную (рис. 6). Два этих противоположных механизма основаны на фундаментальных различиях между двумя типами шелка, используемыми членистоногими. В случае с крибеллатной технологией, хорошенько расчесанные и взлохмаченные нити прилепляют насекомых к паутине силами Ван-дер-Ваальса [15], [16]. В случае с экрибеллатной техникой, нити водного клея содержат капли, которые самособираются посредством перехода Рэлея-Плато при поглощении воды из атмосферы и прикрепляются к волокну путем смачивания поверхности и адгезии гликопротеина [17–19]. Следовательно, первые нити лучше всего работают в сухом виде, а вторые — во влажном.

С макроскопической точки зрения, обе сети имеют схожую архитектуру (рис. 6, а и б). Но именно ловчие шелковые нити, выполненные либо из первого, либо из второго вида шелка, сильно отличаются друг от друга: экрибеллатный шелк связан с влажной адгезией посредством капель клейкой жидкости, в то время как в связке с крибеллатным шелком паук использует сухую адгезию из сильно вспученных нановолокон (рис. 6, в и г). Нити экрибеллата прядутся двойной фильерой (рис. 6 д): той, которая соединена с жгутиковидной шелковой железой (рис. 6, FL), участвующей в создании основной шелковой нити, и той, которая связана с заполняющей железой (рис. 6, AG), образующей клеевое жидкое покрытие. А крибеллатный шелк получается путем расчесывания пауком нановолокон (рис. 6, ж).

Крибеллатный шелк называется так потому, что он выходит из крибеллума — плоского органа, содержащего множество микроскопических паутинных бородавок. Выходит он не сам по себе, а с помощью карамиструма — ряда щетинок на задних ногах. Одна готовая нитка — это тысячи вытянутых фибрилл, скрепленных воедино. Этот шелк является разновидностью паучьего шелка, который делает паутину клейкой, а вероятность удачной охоты — высокой. Кроме того, крибеллатный шелк эволюционно более древний. Традиционная крибеллатная техника требует, чтобы паук медленно и кропотливо переплетал тысячи тонких нитей, в то время как экрибеллатная технология задействует самосборные капли клея, что очень облегчает жизнь пауку.

По типу плетения паутину можно разделить на семь основных видов: круглую, листовую, клубкообразную, воронкообразную, кружевную и паутину-кошелек (рис. 7):

1. Круглые полотна (рис. 7Б). Круглая форма — это двумерное полотно, которое можно сравнить с велосипедными колесами или доской для игры в дартс. Они изготавливаются с радиальной резьбой, которая выполняет функцию каркаса. Паук поэтапно укладывает липкие или крибеллатные нити по спирали. Создание новой сети занимает около двух часов. Шаг первый — протянуть шелковую леску через щель на ветру. После укрепления этой поддерживающей нити дополнительными нитями паук добавляет радиальные и спиральные нити. Паутина закончена — и паук удаляет центральный узел нитей и заменяет его решеткой. Когда насекомое залетает в паутину, нашему герою только нужно будет приблизиться к источнику вибрации. Тоже круглый тип паутины вида Zygiella x-notata славится отсутствием всяких спиралей в одном из секторов. Сильная сигнальная нить проходит через этот сектор к тому месту, где паук сидит в своем убежище. В центре паутины Tetragnathidae есть отверстие, потому что именно здесь паук занимает свою исходную позицию для охоты. У Theridiosoma gemmosum маленькие паутинки имеют открытую втулку и напоминают вывернутый наизнанку зонтик.
   Когда круговая паутина сильно повреждается или теряет свою липкость из-за воздействия ветра и дождя, паук скручивает нити в клубок и съедает их, чтобы переработать шелковые компоненты. Обычно это происходит каждый день или два. Uloborus plumipes намеренно не очерчивает точные контуры круга, создавая паутину, поэтому она может показаться брошенной и недействующей, но его секрет в таком случае — в электростатическом заряде круглой паутины, которую он расчесывает специальными волосками на своих задних лапках.
   Однако не все пауки плетут круговые паутины, похожие на пироги. Hyptiotes paradoxus предпочитает ловить насекомых на небольшой кусочек пирога — треугольник. Паук в ожидании жертвы сидит на ближайшей ветке и туго натягивает нить, которая тянется к кончику треугольника. Как только жертва попалась — нить немедленно отпускается, и паутина превращается в сеть, похожую на рыболовную.
2. Полотна-листы (рис. 7В). Плотно сплетенные, тонкие горизонтальные полотна выглядят как шелковые гамаки. Насекомые падают на них сверху, а паук висит под своей паутиной, ожидая, когда в гамак приземлится ужин.
3. Запутанные паутины (рис. 7Г). В такие паутинки пауки не прочь вплести головки цветов и листья, а также опавший перегной.
4. Воронкообразные полотна (рис. 7Д). Общая форма таких паутин напоминает воронку. Живущий низко среди травы, ежевики, дрока или вереска, паук обычно прядет большой лист плотно сплетенного шелка, который тянется от длинного трубчатого отступа сзади.
5. Кружевные полотна (рис. 7Е). Кружевные полотна похожи на воронкообразные тем, что у них также есть трубчатый край, где прячется паук, но они сделаны из «шерстяного» крибеллатного шелка, а нити расположены более свободно, что делает их больше похожим на кружево, чем на шелковую простыню.
6. Радиальные полотна (рис. 7Ж). Этот тип полотна состоит из отдельных линий шелка, расходящихся от шелковой трубки в разные стороны. Линии функционируют как растяжки, которые предупреждают прячущегося внутри трубы паука о проходящей мимо добыче. Чувствуя вибрацию, паук мчится к жертве с пугающей скоростью. В отличие от других видов паутины, которые опутывают добычу, эта — просто предупреждает паука о том, что жертва рядом.
7. Паутина-кошелек (рис. 7З). Длинная шелковая трубка обычно имеет запечатанный конец, который выступает над землей, где она соприкасается с почвой у основания травы, немного напоминая носок или кошелек. Эта часть паутины хорошо замаскирована и не видна насекомым. Паук обычно висит вверх ногами внутри, и, если что-то ползет по паутине снаружи, паук протягивает лапы и хватает жертву, пронзая стенку паутины и жертву своими клыками. Не стоит беспокоиться. Затем он просто залатает дыру.

Подивившись многообразию паутинных желез и видов паутины, перейдем к главе о не менее впечатляющих механических свойствах.

Катёфугэцу: через природу познай себя

«Цветок» (ка), «птица» (тё), «ветер» (фу) и «луна» (гэцу) — не что иное как сумма частей, потому что складываются в «познание себя через переживание красоты природы».

Из уроков биологии нам известно, что паучий шелк — самое прочное волокно, которое когда-либо встречалось в природе. Прочность на разрыв паутины обыкновенного крестовика (Araneus diadematus) составляет 1,1–2,7 ГПа; для сравнения, у стали этот показатель в разы ниже — 0,4–1,5 ГПа, что же говорить о человеческом волосе с его 0,25 ГПа [20]. Отметим, что здесь речь идет об удельном модуле прочности, который показывает, насколько прочной будет конструкция при заданной массе (например, при действии разнонаправленных сил натяжения либо при помещении в ткань тяжеловесного предмета), то есть о пределе прочности материала, поделенной на его плотность. Кстати, говоря о плотности паутины, можно отметить, что она составляет всего 1/6 плотности стали (1.3 г/см3), зато, по слухам, чтобы покрыть всю поверхность Земли паутиной, хватит всего лишь 500 граммов, чего никак не скажешь о металле.

Дабы не доверяться слухам и непроверенной информации, обратимся к авторитетному расчету: физик A.B. Цингер придумал такую задачку «Сколько весила бы паутина, протянутая от Земли до Солнца, т. е. на расстоянии 150 млн км?» [21]. Среднестатистический школьник спокойно путем расчетов приходит к выводу, что паутинная нить, протянутая от Земли до самого Солнца, весила бы всего 3 тонны. И это если не учитывать способность паутины растягиваться хотя бы в пять раз (без максимально возможного натяжения в зависимости от выбранного типа нити, например, каркасной, и привлекаемого к деятельности вида паука). Пауки не относятся к экстремофилам, но их паутина, как ни парадоксально, может легко пережить температуру от −40 ^oC до 220 ^oC [22], так что, по крайней мере в космосе из задачки, паутина бы не потеряла своих природных свойств. Кроме того, она нерастворима в воде и многих органических растворителях [23], обладает гидрофобностью (то есть отталкивает от себя капли воды [24]) — поэтому во время дождя сеть не намокает и остается легкой и прочной. Даже паук-серебрянка (Argyroneta aquatica) благодаря этой способности паутины строит в водоемах подводный купол, который служит для него домом. После предыдущих поразительных качеств вряд ли получится удивить кого-то шарнирностью, а точнее тем, как паук спокойно вращается на паутинке, и она не перекручивается. Впрочем, об этом мы очень редко задумываемся. Ну, или, например, такими волновыми эффектами, как запрещенная волновая зона, область отрицательной скорости и другие аномалии при распространении колебаний. Вот уж действительно золотую нить создала природа!

Паутина подобна струнам музыкального инструмента. Исследовательская группа, возглавляемая Оксфордским университетом, обнаружила, что, когда паучий шелк натягивается, как гитарная струна, он передает вибрации в широком диапазоне частот, посылая информацию о добыче, партнерах — и даже о целостности паутины. При сотрудничестве Оксфордского и Мадридского университетов подтвердилось, что паутина — это великолепно настроенный «инструмент» для передачи вибрации, и что тип передаваемой информации можно контролировать, регулируя такие физические свойства, как натяжение и жесткость [25]. Пожалуй, природа наделила паутину таким волшебством не просто так. Пауки имеют плохое зрение и полагаются исключительно на вибрации, когда хотят «увидеть» этот мир. Музыкальные паттерны, исходящие от их настроенных сетей, дают им важную информацию о типе добычи, попавшей в сеть, и приближающихся хищниках, а также о потенциальных партнерах. Пауки тщательно строят свои паутины из различных видов шелка, чтобы контролировать архитектуру паутины, ее натяжение и жесткость, аналогично тому, как гениальный музыкант настраивает свой инструмент. Исследователи прибегли к ультразвуковой обработке вибраций, которыми пользуются членистоногие, чтобы воспринимать окружающую среду. Каждой нити паутины был присвоен звук, распознаваемый человеком. Посему не за горой те времена, когда люди начнут понимать язык пауков.

Натяжение в паутинном шелке играет решающую роль для нелинейных вибрационных характеристик волокна. Например, если повреждается радиальная нить, конструкция паутины теряет способность к воспроизведению вибрации практически полностью, чего не скажешь при повреждении других типов нитей. Следует отметить, что структура паутины естественным образом сконструирована как предварительно напряженная система, называемая структурой «Тенсегрити» (сохранение целостности при растяжении). Предварительное натяжение в паутинной струне может предотвратить серьезную деформацию или провисание.

Таким образом, паучий шелк прочнее стали, в 10 раз устойчивее к растяжениям и натяжениям, чем кевлар или нейлон, имеет малую плотность (табл. 1). И физические свойства волокна — первая причина, по которой инвесторам стоит вложить свои финансы в эту разработку, пускаясь вдогонку за упомянутыми стартапами.

Из-за своих волшебных физических свойств паутина может применяться (подумать только!) для изготовления пуленепробиваемых жилетов, ведь ударная вязкость паутины сравнима с полиарамидными нитями. Всё дело вот в чем: благодаря способности растягиваться в моменты, когда добыча или внешнее воздействие вызывают структурное смещение, строение паутины обеспечивает поглощение кинетической энергии и рассеивает около 70% преобразованной энергии, чтобы предотвратить разрушение конструкции. Поэтому способность рассеивать энергию из-за высоких скоростей деформации применяется к системе бронежилета для отражения баллистической атаки. В отличие от, например, обычной нити или стального каната, у паутины уже при 20 градусах отклонения из-за колебаний структура деформируется, и центр тяжести смещается относительно отклонения. Такая структура позволяет сводить на «нет» до 75% колебаний. Пока паутина считается единственным биологическим материалом с таким свойством.

Бронежилеты, скафандры [27], долговечные компоненты в робототехнике [28], высококачественные текстильные изделия [29], [30], веревки, сетки, ремни безопасности, парашюты, панели на автомобилях или лодках, биоразлагаемые бутылки — всё это вещи, где может быть использована паутина.

Так, в работе профессора MIT Маркуса Бюлера недавно были представлены результаты воздействия влажности на паутину [31]. Оказалось, что пролин, находящийся в MaSp2 — одном из двух основных белков паучьего шелка — и необходимый для реакции скручивания, при относительной влажности в 70% взаимодействует с молекулами воды. Те, в свою очередь, разрушают водородные связи пролина асимметрично, что вызывает вращение волокна в одном направлении. Кручение волокна можно будет использовать как новый способ управления определенными типами датчиков или контрольных устройств, как прототип мышц для роботов. Повысим влажность с 65 до 70 — паутинка скрутится и активирует важный для робототехников или исследователей-космонавтов датчик.

Уникальная способность шелка подвергаться суперсжатию и проявлять вращательное поведение в ответ на внешние триггеры, такие как влажность, может быть использована для разработки чувствительных материалов на основе шелка, которые можно будет точно настроить на наноуровне. Потенциальные области применения разнообразны: от мягких роботов и датчиков влажности до умных тканей и генераторов экологически чистой энергии

А другая группа ученых, взяв нить из крупной ампульной железы представителя семейства пауков-сенокосцев, попробовала налить на него немного воска и смолы. Капли смолы создали прототип купольной линзы с гибкими фотонными нанометрами [32]. Эти самые линзы используются для биологической визуализации клеток и микроорганизмов и могут пригодиться в хирургии. Частицы купольных линз слишком дорогие, поэтому уже с 1880 года ученые рассматривают паутину как отличную альтернативу. Позже, во время Второй мировой войны, для нужд военной оптики, паутины требовалось настолько много, что в США ее производили целых десять фирм, нацеленных именно на оптику.

Разработчики новых технологий (например, биосенсоров) видят в паучьем шелке оптическое волокно диаметром 100 микрон. Покрытое затвердевающей от света смолой и нанослоем золота, волокно в ходе опыта передает на спектрометр информацию о типе и концентрации сахара. Если в ходе операций врачам нужно будет понять, сколько сахара и в какой концентрации содержится в сердце и мозге, куда тяжело добраться неинвазивными методами, теперь они смогут это сделать благодаря паучьему шелку.

Похожий механизм лежит в еще одной задумке, связанной с адресной доставкой лекарств [33]. Из паутины можно сделать наноконтейнеры — оболочки, содержащие лекарство. Тогда, например, при опухолях головного мозга можно будет обойтись без трепанации черепа, вводя в мозг определенное количество лекарства, адресно атакующего раковые клетки.

Исследователи Кембриджского университета хоть и не открыли иной способ использования натурального паучьего шелка, применили новый подход к сборке растительных белков в материалы, имитирующие шелк пауков на молекулярном уровне.

На основе строения паутины и сегодня создаются стадионы, концертные залы, огромные здания. Прототипом для человеческих построек служит купольная структура архитектуры подводного дома паука-серебрянки.

Это волокно также является биосовместимым. По сравнению с шелком тутового шелкопряда, шелк паука обладает лучшей биосовместимостью из-за практического отсутствия покрытия серицином, который, помимо того, что является склеивающим веществом, растворимым в воде, выступает своего рода высокоиммуногенным белком и может вызвать гипертонию. То есть паучье волокно отлично подходит не только для вязания свитера, но и для производства хирургических нитей и бинтов. Шелковые материалы могут быть превращены в разлагаемый шовный материал, чтобы уменьшить отторжение и способствовать свертываемости крови. В особенности та паутина, которая идет на изготовление кокона, славится антибиотическими свойствами, предохраняя яйца от губительного вторжения бактерий и плесневых грибков. Паучий шелк также обладает высокой усталостной прочностью и способностью «запоминать исходную форму», что позволяет успешно использовать его при операциях с искусственными сухожилиями или связками, опорами для слабых кровеносных сосудов. Радтке и др. сообщили о своих исследованиях по восстановлению дефекта большеберцового нерва у овец (рис. 9) с использованием конструкций, состоящих из децеллюляризованных венозных трансплантатов и волокон паутинного шелка [34]. Результаты эксперимента показали, что волокна шелка паука могут способствовать регенерации нервной ткани, регенерации аксонов, ремиелинизации и потенциальной способности к рекрутированию шванновских клеток. И широчайшая область применения является второй причиной для того, чтобы инвесторы заинтересовались паутиной.

Ёбицуги

Если в разбитом кувшине не трещина, а отколотый кусок, техника ебицуги незаменима. Художник, руководствуясь ей, может изменить форму, внести свою часть и сделать из старого что-то новое.

Мы уже отлично знакомы с тем, как люди пробовали создать паутинные фермы — «Как заставить пауков работать на нас?» [35].

Казалось бы, если паучий шелк настолько подходит для «золотой заплатки» и отвечает всем вызовам будущего, почему люди не пытались внедрить его в производство раньше? Ведь шелк тутового шелкопряда начинают производить в Китае аж в 4-м тысячелетии до н. э. В соответствии с китайской легендой, жена желтого императора Хуан-ди откроет для себя это волокно, подобно тому, как Ньютон откроет свой первый закон: сидя в саду под шелковицей во время чайного ритуала, женщина обнаружит, что кокон шелкопряда упал в ее чашку и в жидкости начал распадаться на длинную тонкую переливающуюся нить. Она прикажет сшить из этих нитей наряд для императора. В 1-м тысячелетии появится Шелковый путь, и ткань станет распространяться по свету, а Китай будет монопольным ее поставщиком. В 300-м году н. э. японцы постигнут секреты шелководства; спустя примерно 200 лет в Византию попадут яйца тутового шелкопряда. Одновременно с византийцами, искусство производства шелка будет постигнуто и арабами, а Крестовые походы привнесут ту же тенденцию в Западную Европу. В Средние века появится прялка, но успехов в этом нелегком деле удастся достигнуть лишь Италии и Франции. Промышленная революция откроет дорогу более дешевому хлопку, и шелк на время пропадет из поля зрения ткачей. Этому также поспособствует и распространение эпизоотии тутового шелкопряда, после которой не сможет оправиться даже Франция.

Около 3000 лет до н. э. китайцы выведут слепых, не способных летать одомашненных шелкопрядов, чьей главной задачей назначат выведение личинок, а в естественной среде этих удивительных существ практически не останется. В России Bombyx mori занесен в Красную книгу. 500 личинок за 5–6 дней и смерть — такова участь современных потомков тех самых диких шелкопрядов с шелковицы императора Хуан-ди. 6 тысяч шелкопрядов, 45 тысяч коконов и 200 кг съедаемой ими шелковицы могут обеспечить людей лишь 1 килограммом шелка. Но это куда более сносный результат, нежели способны дать человечеству непокорные пауки.

Во-первых, пауки растут не так быстро, как шелкопряды: для развития яиц последних требуется всего 8–10 дней. Для пауков важно преодолеть возраст в 3–5 недель, когда прелярва переходит в стадию «личинки» (нимфы второй стадии), также еще не питающуюся, но чуть более мобильную и уже имеющую примитивные коготки на лапках и развитые хелицеры [36], а затем — следующую линьку, после которой паучки способны вести самостоятельный образ жизни и плести паутину.

Во-вторых, после того, как гусеницы вылупятся, им нужно лишь подсунуть свежие листья шелковицы, а вот откуда брать мух для пауков — неясно. Допустим, мы хотим получить мясо. У нас есть трава и корова. А в итоге получается мясо. С пауками всё сложнее, их пищевая цепочка длиннее: нужно вырастить мух, которых съест паук, но, чтобы вырастить мух, последних надо прокормить меньшими по размеру сородичами.

В-третьих, развитие личинки шелкопряда завершается примерно за месяц и, положив развившуюся личинку в коробочку, человек может ожидать от нее шелкового результата спустя четверо суток. За это время гусеница 24 тысячи раз повернет головой, чтобы свить плотную сеть. Паука же не так просто ограничить в движениях, ведь он, будучи молодым, активно перемещается, ищет еду и охотится, помимо плетения паутины. Функцию перемещения нельзя атрофировать, ведь с ногами связан и процесс плетения.

Кроме того, пауки не стадные животные, при сожительстве они запросто слопают друг друга, поэтому для каждого понадобится отдельный загончик. Хотя мы можем надеяться на эволюцию, которая постепенно и неожиданно превращает пауков в социальных существ. Недавно замеченное за «членистоногими интровертами» социальное поведение заключается в том, что, по словам Михеева, «они собираются вместе, едят в одном месте, делятся едой. Также для них характерно наличие определенной степени родства, это схоже с тем, как люди общаются более тесно с членами семьи, нежели с незнакомцами». Развитие социального поведения исходит из развития мозга: у австралийского охотника и африканского социального паука ученые как раз заметили генетические изменения, которые привели к росту числа нейронов.

Что касается пауков, на самом деле люди пытаются овладеть мастерством прядения паучьего шелка уже более 400 лет [37], [38]. Протоисторическая родина паучьего шелка — Китай. Об этом мало что известно, но китайцы первыми начали проводить эксперименты с паутиной (рис. 10), преуспели в начинании и окрестили шелк «тонг‑хай‑туан‑тсе» как крайне долговечный и ноский.

Далее историки знакомят нас с сохранившимися записями 1665 года, где описывается, как в марте луга и ограждения возле саксонского городка Мерзебурга неожиданно оказались в заточении великого множества паутины неведомых пауков — но не беда: из нее женщины окрестных селений смастерили себе ленты и украшения (рис. 11) [38].

В 1700-х годах французский натуралист Бон де Сент-Илер подарил Французской академии набор перчаток и чулок из паучьего шелка. Он смог собрать достаточно материала, пообещав своим соседям заплатить цену шелка — фунт за фунт — за мешочки с яйцами пауков, разбросанные по углам их коттеджей. Соседи были в восторге от возможности извлечь выгоду из его, казалось бы, глупости.

Ткач-любитель был доволен результатами: «Собрав огромное количество таких мешков, я открыл этот новый шелк, который ни в чем не уступает по красоте обычному. Он легко окрашивается во всевозможные цвета, и из него можно делать большие куски полотна, которое отлично подходит для изготовления чулок и перчаток, которые я вам здесь представляю» [38]. Бон был убежден, что он стал первооткрывателем новой индустрии. По его убеждению, вскоре пауки должны были заменить шелкопрядов, и Франция снова оказалась бы впереди.

Однако, когда парламент Монпелье подарил Людовику XIV одежду из паучьего шелка, он не разделил восторг Бон де Сент-Илера. По-видимому, материал быстро порвался во всех неугодных королю направлениях. Фотографии изделий, подаренных Людовику, не сохранились, однако такого же изысканного подарка удостоилась и законодательница мод Франции того времени — сама Жозефина Богарне (рис. 12). По ее парадному портрету, дошедшему до наших времен, мы можем предложить, что перчатки сотканы как раз из паучьего волокна.

В 1800-х годах Франция предприняла еще одну попытку превратить паучий шелк в индустрию. На этот раз путь проложила одержимость миссионера-иезуита Поля Камбуэ. Занимаясь прозелитизмом на Мадагаскаре — иными словами, обращением иноземцев в свою веру, — он был очарован «Ткачихой Золотого Шара» (пауком кругопрядом-нефилом) и ее шелком, сияющим шафраново-желтым цветом (рис. 13).

Камбуэ изобрел устройство для наматывания маслянисто-желтого шелка прямо из брюшка паука. Хитроумное приспособление, мрачно названное «гильотиной», выглядело как уменьшенная версия средневековых колодок: паук помещен в деревянное ярмо, с одной стороны у него торчит брюшко, а с другой — ноги и голова (рис. 14Г). При легком прикосновении к фильерам арахниды нить прилипает к вашему пальцу, готовая к намотке. Хотя идея плетения из паучьего шелка возникла давно, это странное устройство представляет собой первую реальную попытку индустриализировать процесс — пересадить живое существо в машину (рис. 14В).

Работа Камбуэ привела к созданию небольшой фермы по производству паутинного шелка при Профессиональной школе в Тананариве. Малагасийские девушки были наняты для того, чтобы ловить пауков в корзины, запирать их в машины и наматывать из них золотые нити (рис. 14Б). Балдахин, сотканный из этих нитей, был показан на Парижской выставке 1900 года. Но пауки по своей природе сопротивлялись превращению в промышленных рабочих. Вынужденные находиться в заточении, они плели свою паутину над стенами тюрьмы, пока она не была настолько полностью покрыта, что ни комары, ни другие насекомые не могли проникнуть внутрь. Таким образом, лишенные пищи, по принципу выживания наиболее приспособленных, более сильные продолжали пожирать более слабых, пока не осталось в живых лишь несколько особей, достигших огромных размеров. Возможно, именно поэтому пауками не удалось вытеснить шелкопрядов: они слишком капризны, чтобы их можно было разводить.

Тем не менее, десять лет назад в музее Виктории и Альберта была представлена накидка из паучьего шелка. Это изделие изготавливалось восемь лет, восемьюдесятью людьми и миллионом Ткачей Золотого Шара. Накидка золотистого цвета украшена изображениями пауков, плетущих паутину, — дань уважения ремесленников волшебным ткачам (рис. 15). Сейчас такую ткань тоже производят в лимитированном количестве (рис. 16).

В 90-е годы этот опыт решили повторить — предпринимались попытки «доить» пауков и аккуратно наматывать нити на катушку по уже разработанному прототипу. Но эта затея оказалась напрасной, потому что продуктивность пауков очень низкая (27 тысяч пауков смогут произвести всего 500 граммов шелка) и они склонны пожирать сородичей при совместном проживании, словно остались в одной квартире на время коронавируса.

Чего только не делали с пауками, чтобы получить от них паутину (рис. 17) [39]! Бактерии, дрожжи, насекомые, млекопитающие и растения были задействованы в качестве потенциальных организмов для выработки спидроинов. Все попытки были основаны на одном механизме.

Паутина собрана из уникального белка, образующегося в результате работы определенного гена. Если у нас есть белок — значит, есть и ген, в котором этот белок зашифрован. А ген — это нуклеотиды, собранные в определенной последовательности, как в случае с аминокислотами. Следовательно, если люди захотели производить паутину, они действовали так: нашли ген, отвечающий за паутину, клонировали его [40], вставили в геном того животного, которое дает больший белковый выход и одомашнено (в отличие от паука) и получили продукт — паутинный белок, из которого посредством обработки и произвели паутину. Так ученые и поступали. Во всех случаях, за исключением шелкопряда, они получали спидроиновый порошок, а не волокно. Генетически модифицированные шелкопряды производили паутинный шелк, но его процент в составе тутового был мизерным.

Одноклеточные организмы — максимально изученные платформы для гетерологичного производства спидроинов. Грамотрицательная бактерия Escherichia coli использовалась для производства рекомбинантных белков шелка паука шире всего. Популярность E. coli обусловлена относительной простотой генетических манипуляций, коротким временем генерации спидроинов, сравнительно низкой себестоимостью и потенциалом для промышленного масштабирования. Бактерии — особенно кишечная палочка [41] — в научном мире одна из наиболее известных и изученных систем экспрессии rSSP (рекомбинантного спидроина паучьего шелка). Первое упоминание о ней мы увидим в отчете Lewis [42] аж за 1996 год. Но развитию этого подхода сначала мешал низкий уровень выхода спидроина из-за высокой молекулярной массы rSSP, повторяющихся бесконечных и до конца не изученных мотивов и аномально высокого содержания глицина и аланина.

Группы исследователей пытались справиться с проблемами, добавляя тРНК, чтобы предотвратить преждевременное прекращение трансляции. Дело в том, что в шелковых железах пауков уровни как аланил-, так и глицил-тРНК повышаются до трансляции — но такого не бывает у E. coli. Позже, а именно в 2010 году, ученые добились производства рекомбинантного белка, представлявшего собой вариант MaSp1 с молекулярной массой 284,9 кДа. Она очень близка молекулярной массе натурального паучьего шелка и обеспечивает скручивание в волокно и схожие механические свойства. С 2010-го прошло уже более 10 лет, а последователи этого замечательного исследования, о которых мы узнаем в финальной главе, нашлись только в 2022 году. Несмотря на успешное задействование E. coli в производстве спидроинов, ограничивающие факторы всё же есть: организм хозяина не способен собирать спидроины в волокна, и требуется заметная очистка продукта. Однако успешное функционирование стартапов, которые производят шелк на основе именно этого подхода, и их сотрудничество с мегакорпорациями дает основание полагать, что эти исследования скрыты от любопытных глаз, ведь любая монополия или олигополия стремится сохранить в секрете коммерческую тайну.

К тому же на мысль об этом наталкивает и то, что в целом ученые оставили попытки создать шелк на основе чего-то иного, кроме бактерий.

Например, на основе молока. Профессор генетики Рэнди Льюис из университета Вайоминга провел эксперимент по «скрещиванию» паука и козы [42] — выделил из паучьей ДНК ген, отвечающий за способность выделять паутину, а затем внедрил его в ДНК эмбриона козы. Эмбрион имплантировали взрослому животному, и в результате рожденная и подросшая коза давала молоко, в составе которого был спидроин. В итоге в штате Юта в США открыли целую ферму с генно-модифицированными животными, которых назвали «козами-пауками». Странное сочетание, не правда ли? Главный результат эксперимента в том, что из молока одной такой козы за день потенциально можно было бы получить столько же паучьего шелка, сколько за это же время от миллиона пауков. Однако в молоке не обнаружили достаточного количества спидроина, по аналогии с шелкопрядом. Та же Bolt Threads начинала производство шелка на основе козьего молока и обанкротилась — теперь эта компания производит шелк, используя бактерии.

Однако дрожжи [43], в отличие от молока, нельзя назвать неактуальными. Да, для биоинженерных манипуляций используется кишечная палочка Escherichia coli. Но в случае с большими белками паутины бактериальный аппарат синтеза белков оказался не совсем удобным. Поэтому дрожжи полезны и незаменимы в этих случаях. Словно в огромной печи, в ферментере дрожжи растут и синтезируют белок — 1 кг влажных дрожжевых клеток дает жизнь 100 мг чистого белка, который затем высушивают и используют для экспериментов. Но опять же, что сделаешь из пусть даже и спидроинового, но порошка? Его путем растворения в специальной смеси солей и уксусной кислоты превращают в вязкий раствор. Из особо сконструированного сосуда с крошечным отверстием прядильный раствор капля за каплей выливают в стакан со спиртом. Этанол преобразует струйку в тончайшую белковую нить, которая оседает на дне сосуда. Двое суток и всего 100 мг искусственной паутины на выходе — в случае эксперимента, а не коммерческого использования, цель оправдывает средства.

Растения — тоже подходящие продуценты спидроинов. Соматические ткани сои, табак, семена арабидопсиса, рис, картофель, люцерна (Medicago sativa), эндосперм кукурузы (Zea mays) и микроводоросли (Chlamydomonas reinhardtii) — на всем этом были проведены эксперименты. Геном растений (таких как табак и картофель) способен вмещать синтетические GC-богатые гены спидроина 1 и осуществлять их экспрессию с образованием полноразмерных белковых продуктов. Синтетический ген встраивается в растения без модификации, поскольку его последовательность не содержит редких для табака или картофеля кодонов, и транскрипт синтетического гена спидроина 1 не содержит последовательностей, которые растительные клетки «отправят в бан» как интроны.

Первичная структура и состав белкового продукта синтетического гена спидроина 1 схожи с природными. Биоматериалы из возобновляемых источников могут служить отличной альтернативой ограниченным традиционным продуцентам на основе бензина. Ключевыми предпосылками их широкого применения в будущем можно назвать доступность, а также наличие подходящих технологий обработки и возможность применения простых процедур очистки. Немаловажно и то, что полученные спидроины самособираются в микроволокна жгутикообразного шелка. Чрезвычайная термостойкость продуцируемых из растений синтетических белков паучьего шелка дает возможность простой очистки. Растительная система экспрессии превосходит бактериальную в том, что первая предлагает эффективное и дешевое производство (примерно 10–50% производственных затрат в бактериальном ферментаторе), которое можно очень легко масштабировать. При масштабировании можно распространить этот метод на другие сельскохозяйственные растения, а также на другие органы растений (например, семена). Однако растительные системы по-прежнему дают более низкий выход по сравнению с микробными системами экспрессии и более низкое качество продукта по сравнению с системами экспрессии млекопитающих.

Возвращаясь к перспективам одноклеточных, отметим, что Salmonella typhimurium успешно использовали для получения трех мономеров шелка 25–56 кДа от европейского садового паука Araneus diadematus. S. typhimurium — одна из немногих грамотрицательных бактерий, способных экспортировать белки как через свои внутренние, так и через внешние мембраны. Так, ее система секреции позволила экспортировать спидроины непосредственно в культуральную среду без дополнительных этапов очистки.

Метилотрофные дрожжи Pichia pastoris тоже оказались неплохой экспрессионной системой для более крупных рекомбинантных генов. Кроме того, P. pastoris сводит к минимуму потребность в очистке при максимальном выходе — подобно Salmonella typhimurium. Механизм работы системы секреции позволяет ферментации P. pastoris длиться дольше, чем у E. coli, внутри которой рекомбинантные белки накапливаются до момента лизиса (растворения).

Получение паучьего шелка с помощью шелкопряда сначала было сопряжено с трудностями. Полученные волокна химерного шелка содержали до 35,2% спидроина, но демонстрировали меньшую прочность по сравнению с волокнами дикого шелкопряда. Это снижение было связано с менее повторяющейся структурой белка химерных волокон (67 кДа) по сравнению с их аналогами дикого типа (350 кДа). Но недавно метод генного редактирования CRISPR/Cas9 был использован для успешного включения генов паучьего шелка природного размера в геном B. mori. И на выходе волокна обладали механическими свойствами, сходными со свойствами натурального шелка паука; некоторые же из них демонстрировали прочность на разрыв даже выше, чем у натурального шелка. Хотя точные данные выхода не сообщались, это исследование открывает перспективы использования трансгенных шелкопрядов для промышленного производства, наравне с клеточной системой.

Макиенаоши: художественный язык кинцуги

Художники украшают лаковые изделия разными цветочными и пышными рисунками. Эти декоративные узоры — образцы техники маки-э. Она воплощает художественную часть концепции кинцуги, в ней запечатано, с помощью чего кувшин может разговаривать с человеком — свой язык.

Все эти препятствия на пути к созданию настоящей паутины — не что иное как дань ее молекулярной структуре. Позволим себе немного погрузиться в этот неизведанный мир. Если смотреть на паутинку под супермегаувеличивающим микроскопом, можно многое понять. Мы увидим, что паутина не есть паутина. «Как это?» — спросите вы. А вы только присмотритесь! Это же несколько макромолекулярных ниточек с шириной разреза 0,2 микрона каждая, собранных природой воедино. По строению она напоминает хрустящую соленую палочку с шоколадным покрытием. Только вместо палочки там — жесткие нанокристаллы, а на месте шоколадного покрытия — оболочка из белковых связок. На первый взгляд, ничего сложного. Однако теперь перейдем к апробации молекулярной модели, что называется, «на зубок», и здесь главное — не поломать зубы о «гранит паучьей науки».

Удивительное молекулярное строение паутины не понято до конца даже современными исследователями. Понятно, что антисептическое действие оказывает в ней небольшое количество неорганических веществ — химические соединения калия (гидрофосфат и нитрат). А вот с остальным не всё так просто. Если обычные люди верят в гороскопы, расклад карт таро и гадают на кофейной гуще, то генетикам удается самостоятельно выпускать предсказания вторичных структур спидроинов, рассчитывая их с помощью программы NNPREDICT, сервера JPRED и сервиса OLIGON. И если предсказания вторичной структуры по их аминокислотной последовательности успешны, то метод расчета третичной структуры и ее составляющих (например, Р-листов) — оставляют желать лучшего.

Но начнем разбираться. Паучий шелк состоит из двух белков — спидроинов I и II, или MaSp1 и MaSp2. Основная часть полипептидной цепи любого из них нескончаема и длинна, как паровоз (более 3000 аминокислотных остатков). Это протяженное «тело» спидроина расположено между небольшими (примерно по 60 аминокислотных остатков) нерегулярными N- и C-концевыми участками, где эксперты усматривают характерные сочетания аминокислот, повторяющиеся много раз. В обоих спидроинах полиаланиновые блоки сочетаются с участками, богатыми глицинами, и аминокислотный состав спидроинов примерно одинаков и в спидроине I, и в спидроине II (просто в первом отсутствует пролин, а во втором — лейцин). Интересно, что между спидроинами разных типов из пауков одного вида больше сходства, чем между спидроинами одного и того же типа, но из пауков разных видов. В большинстве глобулярных белков такого вообще не встретишь.

Итак, в целом спидроин состоит из двух частей. Первый братец — это блок-сополимер. Иначе говоря — линейный полимер, состоящий из звеньев мономеров как минимум двух видов, в макромолекулы которых входят блоки полимеров, образованных из указанных мономеров. В нашем случае блок-сополимер укомплектован полиаланиновыми блоками (состоящими примерно из восьми мономеров).

Радует то, что из двадцати возможных аминокислот сюда природа «замешала» всего семь. Эти аминокислоты при более детальном рассмотрении, словно паровозиком, визуально образуют отрезки, а по-научному — аминокислотные последовательности, или мотивы. Когда несколько полиаланиновых участков сближаются, они обладают потенциалом к слипанию. А дальше этот слипшийся кусок сворачивается в суперспираль. Такая скрутка соединяет полиаланиновые участки разных молекул мегакрепко. Думаете, что последнее слово здесь неуместно? Прочность такого волокна становится близка к теоретической, то есть к прочности разрыва химических связей. Короче, ее не разорвать так же, как не разорвать и железную проволоку, но здесь еще более поразительно: полиаланиновые части скрепляются друг с другом не в одной точке, подобно кристаллам металла, а «с перехлестом» — в тысячах точек одновременно.

Дошедшим до сих строк гуманитариям повезло: эти целые гекзаметры аминокислот хоть и бесконечны, но четко ритмизированы (в отличие от других белков, где всё шиворот-навыворот). Сравнение Фурье-спектров аминокислотных последовательностей спидроинов типа 1 показало, что периоды с максимальной спектральной мощностью соответствуют средней длине последовательности между соседними полиаланиновыми блоками. Такая же зависимость касается и спидроинов 2 типа, только у них средняя длина участка аминокислотной последовательности между полиаланиновыми блоками чуть побольше. У каждого из спидроинов свои периоды аминокислотных мотивов, но где-то они сходятся (как, например, на периодах 2 и 14). Недаром паутинную «рифму» американцы положили на музыку. Наверное, получилось не только красиво, но и прочно: слушателей не оторвать и в прямом, и в переносном смысле. На сегодняшний день удалось разгадать только две полные последовательности аминокислот спидроина 1 и спидроина 2 из паука Latrodectus hesperus. Еще известна примерно половина аминокислотной последовательности спидроина 2 из паука Nephila madagascariensis.

Но перейдем ко второму братцу — к доменам, богатым преимущественно глицином, но и включающим в свой состав другие аминокислоты. Участки, где много глицина, формируют такой клубок с очень плотно переплетающимися нитями, в который как бы вмонтированы кристаллы полиаланина. В общем, «производителя» в этом случае вряд ли упрекнешь в скупости. Благодаря щедрому снабжению участков глицином, паутина спокойно растягивается и принимает исходный вид. Мы натягиваем шелковую нить и тем самым уменьшаем энтропию и увеличиваем свободную энергию паутины. Как только напряжение снимается, система возвращается в исходное состояние с максимальной энтропией и минимальной свободной энергией (то есть обратно в клубок).

Заглянув в формулу из термодинамики, можно убедиться в том, что свободная энергия и энтропия обратно пропорциональны. Первая определяется как разность между внутренней энергией термодинамической системы (U) и произведением ее энтропии (S) на температуру (Т). Иными словами, согласно известному примеру, если мы готовимся к приему гостей, мы, как хорошие хозяева, прибираемся в нашей квартире, и по итогу энтропия равна нулю, а свободной энергии хоть отбавляй. А вот после ухода гостей энтропия максимизируется, ведь множество вещей лежат по разным местам, и с ними потенциально возможно произвести разные операции (протереть, положить на место, разбить, сломать, уронить, продать, подарить, проиграть в казино). Свободная энергия же понижается.

Таким образом, молекулы спидроина из разных пряж оказываются «зарифмованы» друг с другом в одном глицин-аланиновом свитере. Несмотря на то, что короткие участки структур спидроинов I и II, встроенные в простые полимеры, и структуры образованных из них фибрилл и пленок исследуются интенсивно, сегодня мы по-прежнему не можем себе представить пространственную структуру белков «тела» спидроина.

Всё бы ничего, вот только паутина — это иерархическая «многоэтажная» структура. Помимо первичной и вторичной структур, здесь есть и третичная, и еще до конца не исследованные супрамолекулярные спирали, микрокристаллы и микрофибриллярные организации шелкового волокна. Так вот: те ее структуры, которые находятся выше в иерархии («местные бригадиры»), определяются не только первичной структурой, но и процессом прядения. Важен не только состав секрета, но и то, как паук прядет шелк. А этот самый процесс фибриллогенеза (по-простому, выделения из железы будущей паутины) очень сложен, и структуры входящих в паутину белков сильно модифицируются с момента их выделения сначала в прядильную железу и до момента «рождения» готового волокна на свет. Известно, что на заключительной стадии формирования белки основной нити паутины содержат Р-структуру, но непонятно, какие части последовательности их образуют подобно тому, как неизвестна структура частей белка, не свернутых в Р-структуру.

Область повтора, богатая полиаланином/глицином, встроена между N-концевым (NT) и С-концевым (CT) доменами, оба из которых реагируют конформационными изменениями на градиент рН. Эта зависимость NT и CT от рН вместе с силами сдвига запускает сборку спидроинов в готовые шелковые волокна. По-человечески понять спидроины трудно, и гены, отвечающие за паутину, не легче. У спидроина миллиарды аминокислотных остатков, тогда как в гене нуклеотидов должно быть больше, по крайней мере, втройне. В гене нуклеотидные фрагменты тоже повторяются.

Если рассматривать этот ген как длинные стихи, то бактерия всё время норовит выбросить из них несколько строф, поменять их местами или вообще объявить, что стихотворение закончено,

Моно-но аварэ: радость неповторимого

Всегда есть такой момент в нашем детстве, когда мама в последний раз берет нас на руки или отец в последний раз сажает к себе на плечи, и моно-но аварэ замечательным образом обозначает чувство, просыпающееся при этом воспоминании. Когда осознаешь это, испытываешь и печаль, и ощущение неизбежности всего того, что происходит. В зародыше этих чувств — рефлексия, то есть осознание себя и своей индивидуальности, и опыт, то есть знание мира, который нас окружает.

Неугомонное стремление воспроизвести один из самых прочных природных материалов сопряжено с трудностями, происходящими как раз из молекулярного строения. Основные препятствия, как мы уже сказали, — малое в промышленных значениях количество секрета, выделяемого пауками, трудности с поддержанием спидроинов в растворимом состоянии при высоких концентрациях перед прядением и невозможность воспроизвести молекулярные процессы, которые обеспечивают сборку спидроинов в волокно. Наличие высоковоспроизводимой области между NT и CT, содержащей до ста тандемных повторов, затрудняет достижение высокоурожайной рекомбинантной экспрессии спидроинов [44] из-за ограничений механизма трансляции бактериальных хозяев.

Чтобы ослабить эти ограничения [45], в качестве эффективных контрмер ученые предлагают оптимизировать кодоны и активировать глицил-тРНК. Применение этой стратегии для выработки спидроинов в E. coli привело к самому высокому уровню экспрессии, о котором сообщалось до настоящего времени при использовании биореактора (3,6 г/л), хотя следует отметить, что это число было рассчитано до очистки белка и не отражает конечный выход.

В дополнение к относительно низким выходам мы знаем, что рекомбинантные спидроины склонны к агрегации (слиянию), поэтому обычные методы приготовления прядильных растворов (добавок) обычно включают использование денатурирующих агентов, таких как мочевина/гуанидин. Денатурация меняет форму белка, но последовательность аминокислот остается прежней, не происходит разрыв пептидных связей, т. е. I структура белка не нарушается. Затем для солюбилизации (коллоидного процесса самопроизвольного и обратимого проникновения) лиофилизированных белков используется гексафторизопропанол (HFIP) и метанол/изопропанол в качестве коагулирующего агента для прядения. Коагуляция приводит к объединению мельчайших взвешенных примесей и выпадению их в виде хлопьевидного осадка.

Волокна, полученные с использованием этого метода, обладают модулем прочности натурального паутинного шелка при условии, что применяется дополнительное механическое растяжение после отжима. Тем не менее, эти сложные процессы и химические реакции сильно отличаются от тех, которыми пользуются пауки для производства шелка, и делают производство дорогостоящим и не очень экологичным.

Чтобы довести выход до экономически приемлемого уровня 10 г/л, ученые в новом исследовании предположили, что разработанный мини-спидроин NT2RepCT (две естественные тандемные повторяющиеся единицы, окруженные концевыми доменами) является подходящим кандидатом для экспрессии в биокультуре с высокой плотностью клеток. В подтверждение этого приводится экспериментальный факт: культивирование бактерий в колбе с использованием стандартного штамма E. coli BL21 (DE3) экспрессирует NT2RepCT с выходом в диапазоне выше 100 мг/л, что является хорошей отправной точкой для дальнейшей оптимизации.

Затем ученые внесли в процесс корректировки. Во-первых, вместо LB-среды они использовали комплексную питательную среду в сочетании с микроэлементами, фосфатным буфером и дополнительным источником углерода (глюкозой и глицерином). Во-вторых, экспрессия белка была впервые индуцирована, когда оптическая плотность при 600 нм (OD600) составляла больше 50, а не около 1. В-третьих, для обеспечения дальнейшего роста они внедрили систему дозированной подачи с использованием глицерина в качестве основного сырья.

В результате у них получился выход в 20,9 г/л, что почти в шесть раз больше, чем при предыдущем культивировании спидроинов в биореакторах. Фактически, это один из самых высоких уровней экспрессии белка, зарегистрированный на сегодняшний день для продуцируемых белков. Последующая обработка не требует денатурирующих агентов или органических растворителей, что делает всю процедуру устойчивой и экологически чистой.

Улучшенные условия культивирования в сочетании с относительно небольшим размером (33 кДа) и высокой растворимостью NT2RepCT, вероятно, являются причинами высокого уровня экспрессии. Следует отметить, что высокая растворимость NT была использована для разработки средства для получения склонных к агрегации белков в целом и может способствовать высокому выходу и растворимости также для NT2RepCT.

На мой взгляд, клеточная система является наиболее подходящей для того, чтобы человечество наконец получило паутину без ущерба для остальных жителей планеты. Безусловно, паучий шелк привнесет много хорошего и прогрессивного в нашу жизнь: мы сможем вечно носить бабушкины свитеры, сможем успешнее проводить операции, совершать новые прорывы в космосе и на заводах, а прогресс в научном мире непременно принесет за собой социальный прогресс и улучшение качества жизни. Легкая и долговечная форма для школьников, прочные котомки вместо продуктовых пакетов, бутылки из паутины, космические корабли и спутники с оранжереями, поддерживаемые паутинными мембранами, медицинская и пожарная форма с автоматическими клапанами из шелка, активизирующимися из-за дыма, бинты для аллергиков и сердечные клапаны для иудеев, которым по религии запрещено внедрять в тело свиные клапаны, быстрое разложение мусора и очищение почв, создание на основе шелка нейтрализующих нефтепродукты компонентов. Биомиметическое прядение мини-спидроинов действительно приводит к получению волокон с повышенной прочностью на растяжение, а два типа волокон демонстрируют прочность, равную дикому шелку.

Производство спидроина может обойти биологические законы, которым должны подчиняться пауки, будучи эукариотическими организмами, не «настроенными природой» на выработку десятков килограммов шелка в день под нужды общества потребления, и, таким образом, авторы разрабатывают алгоритмы получения мини-спидроинов, которые будут активнее формировать более прочные β-листы, чем белок дикого типа, не будут нуждаться во множестве стадий очистки, станут масштабируемым продуктом и не нанесут урон экологии. Хочется верить, что поиски «золотой заплатки» приведут человечество к чему-то большему, нежели просто к насильному подчинению пауков и шелкопрядов, к заточению их в «гильотины» и искусственной ликвидации их способности двигаться — к кинцуги по-паучьи.

Я думаю, что природа, заложив в такое маленькое существо, как паук, непокорное стремление к свободе через тот же каннибализм, связь прядильной функции с функцией движений, малый объем выхода волокна, дала понять человеку, что он не способен подчинять своим желаниям не менее удивительных существ, чем он, пусть даже они во сто крат его меньше. Если бы она не поставила человеку такие препоны, разве он бы не поработил пауков подобно тому, как подчинил себе шелкопрядов? Казалось бы, мы самые развитые среди животных, но природа просто показывает нам, что взгляд на мир у разных существ может быть абсолютно противоположным, и это не означает неразумность. Об этом говорил еще Франц Кафка в своем «Превращении», где главный герой рассказа, Грегор Замза, простой коммивояжер, проснувшись утром, обнаруживает, что превратился в «огромное мерзкое насекомое» — паука.

Если человек познает жизнь благодаря осязанию, обонянию, зрению, слуху, вкусу, тактильным ощущениям, то паук, как Великий Слепой, познает ее через вибрации, которые мы даже не способны расслышать. Мешает ли нам то, что мы не способны расслышать звуки, воспроизводимые им? Нет, как не мешает и то, что, например, мы до прочтения этого материала не знали значения многих слов и состояний из философии кинцуги, которые можно описать только с помощью японского языка: икигай, ваби-саби, ëбицуги, катëфугэцу, макиеаноши, моно-но аварэ. Но узнав их, мы приблизились к лучшему пониманию себя самих, природы и людей вокруг, в том числе другой культуры. А что, если мы узнаем и язык пауков? Чарли Чаплин остался в памяти великим актером кино без звука и научил людей смеяться над тем, чего не передать человеческим, искусственно созданным языком. Но паук вряд ли когда-то станет признанным среди людей за что-то кроме шелковой паутины и ядов. Работая в технике кинцуги, японцы заливают трещины золотом, бабушки ставят заплатки на свитера, пауки соединяют нити и порой немного нарушают алгоритмы плетения, а человек обращается к паучьему, до конца им неизведанному миру. На этом пути ему нужно запастись умением и особым складом души, чтобы увидеть красоту в соединении разрушенного им же самим. Хочется верить, что человек многого достигнет в этом искусстве.

Литература

1. Benjamin Schmuck, Gabriele Greco, Fredrik G. Bäcklund, Nicola M. Pugno, Jan Johansson, Anna Rising. (2022). Impact of physio-chemical spinning conditions on the mechanical properties of biomimetic spider silk fibers. Commun Mater. 3;
2. Tina Arndt, Gabriele Greco, Benjamin Schmuck, Jessica Bunz, Olga Shilkova, et. al.. (2022). Engineered Spider Silk Proteins for Biomimetic Spinning of Fibers with Toughness Equal to Dragline Silks (Adv. Funct. Mater. 23/2022). Adv Funct Materials. 32, 2270134;
3. Franklin K. Radical Matter: Rethinking Materials for a Sustainable Future. London: Thames&Hudson., 2018. — 256 p.;
4. C. Le Quéré, R. Moriarty, R. M. Andrew, G. P. Peters, P. Ciais, et. al.. (2015). Global carbon budget 2014. Earth Syst. Sci. Data. 7, 47-85;
5. Elias M. Klemperer, John R. Hughes. (2017). Commentary on Wuet al. (2017): Do very brief reduction interventions increase quitting among smokers not ready to quit?. Addiction. 112, 2041-2042;
6. Samar Damiati, Rami Mhanna, Rimantas Kodzius, Eva-Kathrin Ehmoser. (2018). Cell-Free Approaches in Synthetic Biology Utilizing Microfluidics. Genes. 9, 144;
7. Jadwiga Szostak-Kotowa. (2004). Biodeterioration of textiles. International Biodeterioration & Biodegradation. 53, 165-170;
8. Stefano Mammola, Peter Michalik, Eileen A. Hebets, Marco Isaia. (2017). Record breaking achievements by spiders and the scientists who study them. PeerJ. 5, e3972;
9. Martin Nyffeler, Klaus Birkhofer. (2017). An estimated 400–800 million tons of prey are annually killed by the global spider community. Sci Nat. 104;
10. Великому комбинатору и не снилось: комбинаторика токсинов пауков;
11. Rising A. Spider dragline silk: Doctoral Thesis. Swedish University of Agricultural Sciences, 2023. — 50 p.;
12. Непомнящий Н. 100 великих рекордов живой природы. М: «Вече», 2014. — 237 с.;
13. Nelson D., Cox V. Lehninger. Principles of Biochemistry, Fourth Edition. NY: W. H. Freeman, 2004. — 1120 p.;
14. Abel Corver, Nicholas Wilkerson, Jeremiah Miller, Andrew Gordus. (2021). Distinct movement patterns generate stages of spider web building. Current Biology. 31, 4983-4997.e5;
15. ANYA C. HAWTHORN, BRENT D. OPELL. (2002). Evolution of adhesive mechanisms in cribellar spider prey capture thread: evidence for van der Waals and hygroscopic forces. Biological Journal of the Linnean Society. 77, 1-8;
16. Anya C. Hawthorn, Brent D. Opell. (2003). van der Waals and hygroscopic forces of adhesion generated by spider capture threads. Journal of Experimental Biology. 206, 3905-3911;
17. Fritz Vollrath, Donald T. Edmonds. (1989). Modulation of the mechanical properties of spider silk by coating with water. Nature. 340, 305-307;
18. Fritz Vollrath, Wayne J. Fairbrother, Robert J. P. Williams, Edward K. Tillinghast, David T. Bernstein, et. al.. (1990). Compounds in the droplets of the orb spider's viscid spiral. Nature. 345, 526-528;
19. F. Vollrath, E. K. Tillinghast. (1991). Glycoprotein glue beneath a spider web's aqueous coat. Naturwissenschaften. 78, 557-559;
20. Nobuaki Kono, Hiroyuki Nakamura, Masaru Mori, Yuki Yoshida, Rintaro Ohtoshi, et. al.. (2021). Multicomponent nature underlies the extraordinary mechanical properties of spider dragline silk. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.. 118;
21. Перельман Я. И. Физика на каждом шагу. СПб: «Концептуал», 2021. — 263 с.;
22. Eden Steven, Jin Gyu Park, Anant Paravastu, Elsa Branco Lopes, James S Brooks, et. al.. (2011). Physical characterization of functionalized spider silk: electronic and sensing properties. Science and Technology of Advanced Materials. 12, 055002;
23. Michael B Hinman, Justin A Jones, Randolph V Lewis. (2000). Synthetic spider silk: a modular fiber. Trends in Biotechnology. 18, 374-379;
24. Физическая водобоязнь;
25. B. Mortimer, A. Soler, C. R. Siviour, R. Zaera, F. Vollrath. (2016). Tuning the instrument: sonic properties in the spider's web. J. R. Soc. Interface.. 13, 20160341;
26. Sean J. Blamires, Patrick T. Spicer, Patricia J. Flanagan. (2020). Spider Silk Biomimetics Programs to Inform the Development of New Wearable Technologies. Front. Mater.. 7;
27. Scott Kirkpatrick. (1973). Percolation and Conduction. Rev. Mod. Phys.. 45, 574-588;
28. Zhengzhong Shao, Fritz Vollrath. (1999). The effect of solvents on the contraction and mechanical properties of spider silk. Polymer. 40, 1799-1806;
29. Md. Majibur Rahman Khan, Yasuo Gotoh, Hideaki Morikawa, Mikihiko Miura. (2009). Graphitization behavior of iodine-treated Bombyx mori silk fibroin fiber. J Mater Sci. 44, 4235-4240;
30. H. Kajiura, Y. Tanab̧e, E. Yasuda. (1997). Carbonization and graphitization behavior of iodine-treated coal tar pitch. Carbon. 35, 169-174;
31. Dabiao Liu, Anna Tarakanova, Claire C. Hsu, Miao Yu, Shimin Zheng, et. al.. (2019). Spider dragline silk as torsional actuator driven by humidity. Sci. Adv.. 5;
32. C. B. Lin, Yi-Ting Lee, Cheng-Yang Liu. (2020). Optimal photonic nanojet beam shaping by mesoscale dielectric dome lens. Journal of Applied Physics. 127, 243110;
33. Marina V. Novoselova, Sergey V. German, Olga A. Sindeeva, Oleg A. Kulikov, Olga V. Minaeva, et. al.. (2019). Submicron-Sized Nanocomposite Magnetic-Sensitive Carriers: Controllable Organ Distribution and Biological Effects. Polymers. 11, 1082;
34. Christine Radtke, Christina Allmeling, Karl-Heinz Waldmann, Kerstin Reimers, Kerstin Thies, et. al.. (2011). Spider Silk Constructs Enhance Axonal Regeneration and Remyelination in Long Nerve Defects in Sheep. PLoS ONE. 6, e16990;
35. Как заставить пауков работать на нас?;
36. Vachon M. (1957). Contribution a l'etude du developpement post-embryonnaire des araignees. Premiere note. Generalites et nomenclature des stades. Bull. Soc. zool. Fr. 345, 337–354;
37. Ricki Lewis. (1996). Unraveling the Weave of Spider Silk. BioScience. 46, 636-638;
38. Monsieur Bon. (1710–1712). Discourse upon the Usefulness of the Silk of Spiders. Philosophical Transactions. Royal Society. 4, 2–16;
39. Dominic R. Whittall, Katherine V. Baker, Rainer Breitling, Eriko Takano. (2021). Host Systems for the Production of Recombinant Spider Silk. Trends in Biotechnology. 39, 560-573;
40. Молекулярное клонирование, или как засунуть в клетку чужеродный генетический материал;
41. Модельные организмы: кишечная палочка;
42. Randolph V. Lewis, Michael Hinman, Srinivas Kothakota, Maurille J. Fournier. (1996). Expression and Purification of a Spider Silk Protein: A New Strategy for Producing Repetitive Proteins. Protein Expression and Purification. 7, 400-406;
43. Модельные организмы: грибы;
44. Xiao-Xia Xia, Zhi-Gang Qian, Chang Seok Ki, Young Hwan Park, David L. Kaplan, Sang Yup Lee. (2010). Native-sized recombinant spider silk protein produced in metabolically engineered Escherichia coli results in a strong fiber. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.. 107, 14059-14063;
45. Benjamin Schmuck, Gabriele Greco, Andreas Barth, Nicola M. Pugno, Jan Johansson, Anna Rising. (2021). High-yield production of a super-soluble miniature spidroin for biomimetic high-performance materials. Materials Today. 50, 16-23.