Włókna jak z komiksu

Komiksowy bohater Spiderman, czyli człowiek-pająk, miał niewyobrażalnie mocną sieć. Nie tylko łapał w nią przestępców, ale także poruszał się na niej między wieżowcami. Naukowcy od wielu lat próbują wyprodukować włókna wytrzymałe, a jednocześnie lekkie. Pajęczyna jest świętym graalem tych poszukiwań.

Przełomu w badaniach nad superwytrzymałym włóknem dokonali niedawno amerykańscy naukowcy z University of Wyoming. Wspierała ich zajmująca się na tym uniwersytecie od lat białkami pajęczyny, pochodząca z Polski genetyk Dagmara Motriuk-Smith. A w realizacji planu produkcji pajęczyny na przemysłową skalę zaczynają pomagać naukowcom... jedwabniki i kozy.

Pajęczy gen

– Wytrzymałość sama w sobie to jedna rzecz. Ale pajęczyna ma jeszcze dodatkową fascynujacą właściwość: może się rozciągać. I to o niemało, bo o 40 procent swojej początkowej długości – tłumaczy Dagmara Motriuk-Smith, która w 2001 r. wraz z innymi naukowcami opublikowała pracę o genach pająków i sieci pajęczej w prestiżowym tygodniku naukowym „Science”. – Wyobraźmy sobie, że próbujemy zatrzymać podczas lądowania jumbojeta, któremu zepsuły się hamulce. Rozciągamy w poprzek pasa stalową linkę. Jeżeli nie jest ona wystarczająco mocna, to po prostu pęknie. Natomiast linka zrobiona z pajęczyny rozciągnęłaby się i mogłaby zaabsorbować energię samolotu.

Takie wyliczenia czy testy dotyczą pajęczyny występującej naturalnie w przyrodzie. Ale znajomość genów kodujących białka, z których składa się pajęczyna, daje zupełnie nowe możliwości. Genami można manipulować tak, by otrzymać włókno silne, ale mało elastyczne. Lub na odwrót: mniej wytrzymałe, ale za to świetnie się rozciągające. Niemal wedle życzenia klienta. Tylko czy takie włókna produkuje się już komercyjnie, na zamówienie? – Tego się jeszcze nie robi na skalę przemysłową – odpowiada Motriuk-Smith. – Ale w laboratoriach początki takich projektów się już prowadzi.

Praktycznych, komercyjnych, szerokich zastosowań sieci pajęczej jeszcze nie ma. Kłopot bowiem w tym, że naturalnie produkowanych włókien jest bardzo mało, są one niesłychanie cienkie i człowiekowi trudno z nich utkać coś, co miałoby szersze zastosowanie niż tylko łapanie much. Nie wiadomo też na razie, jak nić pajęczą zbierać. W warunkach laboratoryjnych każdy pająk powinien mieć swoją klatkę, chociażby dlatego, żeby nie zjeść swojego towarzysza. Można nawijać jego nić na specjalne rolki przez 10-15 minut, potem trzeba zrobić 48-godzinną przerwę i wszystko powtarzać od nowa.

– W nowojorskim Muzeum Historii Naturalnej znajduje się trzymetrowej długości tkanina z Madagaskaru, zrobiona z pajęczej sieci. Do jej stworzenia potrzeba było ponad miliona pająków i 80 osób, które pracowały prawie przez osiem lat – opowiada Dagmara Motriuk- -Smith.

To oczywiście zbyt pracochłonne i czasochłonne. Z kolei w nauce nie jest tak łatwo jak w komiksie, gdzie Peter Parker stał się Spidermanem po tym, jak ukąsił go radioaktywny pająk. Naukowcy z University of Wyoming postanowili rozwiązać problem z pozyskiwaniem pajęczych włókien inaczej. Profesor Don Jarvis i jego współpracownicy przeszczepili odpowiednie geny pająków do ciał jedwabników. Te są bowiem łatwiejsze w hodowli i produkują znacznie więcej jedwabiu, niż pająki produkują pajęczyny. Nowe, transgeniczne jedwabniki zaczęły wytwarzać jedwab o innych, bardzo cennych właściwościach, jak pisze prof. Jarvis w swojej publikacji w tygodniku Amerykańskiej Akademii Nauk (PNAS).

– To przełomowe osiągnięcie, ponieważ te włókna to hybrydy – tłumaczy Motriuk-Smith. – Jedwab transgenicznych jedwabników ma w sobie białko nici pajęczej. I przez to zmieniły się jego właściwości fizyczne.

Zdaniem prof. Jarvisa to hybrydowe włókno jest tak silne jak pajęczyna.

Splot z etyką

Pomysł wykorzystania innych zwierząt do produkcji nici pajęczej nie jest nowy. Już kilkanaście lat temu kanadyjska firma Nexia postanowiła genetycznie zmodyfikować... kozy. Tak, by dawały one mleko z rozpuszczoną w nim pajęczyną.

– To były kozy afrykańskie, dojrzewające bardzo szybko i dające sporo mleka. Zostały tak zmodyfikowane, żeby białko pajęcze było obecne w mleku – wyjaśnia Motriuk-Smith. – Oczywiście nie wygląda to tak, że bezpośrednio z wymion snuje się pajęcza sieć – śmieje się. – Z mleka, za pomocą dość skomplikowanych metod, izoluje się białko pajęcze od innych. Ostateczny produkt wygląda jak biała delikatna wata. Potem rozpuszcza się ją w specjalnych substancjach i przepuszcza przez maszyny, które potrafią upleść białko w cienkie włókno. Ciągle jednak wytwarzana w ten sposób pajęczyna nie jest tak mocna, jak nić produkowana przez pająki.

Te genetycznie modyfikowane zwierzęta mogą się rozmnażać. Jak zawsze więc w przypadku manipulowania przy żywych organizmach pojawiają się obawy o bezpieczeństwo. Co będzie, gdy – nawet przez przypadek – transgeniczne zwierzęta znajdą się na wolności i zaczną płodzić potomstwo?

W rozmowie z BBC brytyjski ekspert, prof. Guy Poppy z Southampton University, zapewniał, że transgeniczne jedwabniki nie stanowiłyby większego zagrożenia dla środowiska, a ich istnienie jest zyskiem, który przewyższa potencjalne straty. – Teoretycznie może się to zdarzyć, ale nie jest tak, że np. zmodyfikowane genetycznie kozy biegają swobodnie po łące, skubiąc trawkę – dodaje Dagmara Motriuk- -Smith. – Podlegają one ścisłym przepisom bezpieczeństwa. Gdy kiedyś kozy te transportowano z Wyoming do Utah, trzeba było użyć specjalnych ciężarówek, przy ich zamykaniu i otwieraniu musiał być obecny przedstawiciel Departamentu Rolnictwa. Istnieją również szczegółowe regulacje dotyczące kontroli rozmnażania się tych zwierząt. I wreszcie, po badaniach, zwierzęta te muszą niestety zostać zabite.

Nie wszystkich przekonują te argumenty. Organizacje ekologiczne wielokrotnie protestowały przeciw hodowaniu transgenicznych zwierząt. – Gdy jeden z naszych współpracowników rozpoczął badania na kozach razem z firmą Nexia i ogłoszono to w mediach, natychmiast zostaliśmy wciągnięci na czarną listę jednej z organizacji – opowiada Motriuk-Smith. Na drugi dzień przyszła do nas policja z pytaniem, czy jest nam potrzeba dodatkowa ochrona.

Snucie planów

Choć badania prowadzi się na razie na poziomie podstawowym, naukowcy patrzą na potencjalne zastosowania takich włókien w praktyce. Zdaniem prof. Jarvisa jest ich sporo: po pierwsze – nici chirurgiczne; po drugie – trwalsze implanty czy ścięgna, a po trzecie – substytut twardych plastików, których produkcja wymaga poważnych nakładów energetycznych.

W Holandii zaprezentowano nawet niedawno projekt naukowo-artystyczny, czyli tzw. kuloodporną skórę (bulletproof skin), która zatrzymuje naboje. Na razie te wystrzelone ze zmniejszoną prędkością, ale zdaniem naukowców-wizjonerów sztuczna pajęczyna może w przyszłości posłużyć do produkcji lekkich i wytrzymałych kamizelek kuloodpornych.

– To nie koniec – prognozuje Motriuk-Smith. – Weźmy szwy do operacji oczu. Nie dość, że lekkie, elastyczne i wytrzymałe, to jeszcze bezpieczne, bo układ odpornościowy nie odrzuciłby takiego obcego ciała, nie ma więc niepożądanej reakcji organizmu.

Jak dodaje, włókno rodem z komiksu o Spidermanie mogłoby znaleźć też zastosowania bardziej powszechne – choćby w linkach do spadochronów albo w żyłkach wędkarskich. 

RAFAŁ MOTRIUK jest korespondentem naukowym Polskiego Radia i stałym współpracownikiem „Tygodnika Powszechnego”.