TLDR: Využití mikrofluidiky umožnilo lépe poznat procesy vznikání pavoučího vlákna – to by mohlo přinést levnější metodu jeho masové produkce někdy v budoucnu. Studie tuna.

I když lidská civilizace vytvořila spoustu technologií, které nám pavouci mohou jen tiše ve snech závidět (čokoládové nápoje, vibrační kroužky, termonukleární zbraně), naši osminozí přátelé nás stále překonávají ve schopnosti uplést superpevný (pro ně) a zároveň superpružný materiál! Vědátoři již dávno vyrazili na křížovou výpravu, která se snaží tuto schopnost od křižáků okopírovat – a s novou japonskou studií jsme v tom snad o krok blíže realitě.

Bradavka na čipu

Výzkumníci z japonského RIKENu totiž dosáhli průlomu ve vytvoření umělého pavoučího hedvábí, které se velmi podobá přírodnímu hedvábí produkovanému pavouky. Jejich inovovaná metoda spočívá v napodobení složité molekulární struktury pavoučího vlákna pomocí přístupu biomimiker – tedy okopčování principů živých organismů. Jejich proces replikuje složité chemické a fyzikální změny probíhající v pavoučí žláze do zařízení, které by se dalo nazvat “snovací bradavkou na čipu”.

Idea okopčit pavoukům jejich vlákna není samože nová – ale snadno se to řekne, hůře pak už provádí. Některé týmy se kvůli komplikovanosti celého procesu zaměřily spíše na naučení jiných biočichů vytvářet vlákna ekvivalentní těm pavoučím. Což může dost dobře fungovat! To má ale tu nevýhodu, že pořád potřebujete k produkci chovat nějaké biočichy. Plus je jejich genetická úprava potenciálně eticky kontroverzní.

Vědátoři z RIKENu se proto naopak snaží zdokonalit syntetickou produkci vláken pomocí zcela umělých mikromašinek!

Vítejte v mikrofluidice

Pavoučí vlákno je biopolymerní materiál sestávající se z velkých proteinů s vysoce opakujícími se sekvencemi, tzv. spidroinů. Uvnitř vláken se nacházejí molekulární substruktury zvané beta listy, které musí být správně uspořádány, aby vlákna měla své jedinečné mechanické vlastnosti. Právě vytvoření této složité molekulární architektury bez pomocí biočichů mnohé týmy dosud mátlo.

Japonci proto sáhli po vytvoření mašiny sice zcela inspirované biologickými pohody, ale bez jejich negativ. Výsledkem je mikrofluidní zařízení připomínající malý průhledný čip s drobnými kanálky. Roztok prekurzoru spidroinu se v ní umístí na jeden konec a poté se podtlakem přitáhne k druhému konci.

Jak spidroiny protékají mikrofluidními kanálky, jsou vystaveny přesným změnám chemického a fyzikálního prostředí, které jsou umožněny konstrukcí mikrofluidního systému. Za správných podmínek se proteiny samy sestavují do hedvábných vláken s charakteristickou komplexní strukturou!

Ještě mnoho krůčků

Postupné štelování podmínek toku nakonec vedlo k možnosti vyrábět vlákna vykazující výraznou hierarchickou strukturu podobnou té, která se nachází i v pavoučích vláknech! Co je neméně podstatné, proces dával velmi často stejné výsledky. Navíc experimentování odhalilo některé zajímavé detaily o formování vlákna.

Japončíci mimo jiné zjistili, že použití síly k protlačení proteinů nefunguje – teprve když použili podtlak k vytažení roztoku spidroinu, mohli sestavit souvislá hedvábná vlákna se správným uspořádáním beta listů.

Výsledné vlákno zatím není na úrovni těch pavoučích – to bychom nad dnešní studií hiphopovali jinak – ale dává významné argumenty pro další přibližování se k jejich kvalitě. Zvyšuje se tak šance, že využití takových vláken v různých odvětvích včetně medicíny je o krůček blíže – byť dalších potřebných krůčků bude ještě celá řada. Nic jiného však od kopírování technologie osminožců nešlo ani očekávat!

[Ladislav Loukota, JRN]

Vědátor vzniká v dílně spolku studentů a popularizátorů vědy UP Crowd za podpory MUDRstart, který tvoří přípravné testy pro studenty vysokých škol. Krom různých autorů projekt jako šéfredaktor vede Ladislav Loukota – jeho kontaktní mail je vedatororg@seznam.cz