Пока мир пытается справиться с огромным количеством пластиковых отходов, учёные ищут лёгкие, прочные и биоразлагаемые материалы. Чаще всего внимание исследователей привлекает паучий шёлк, однако у него есть менее известный конкурент — шёлк, который производят пчёлы.
О существовании пчелиного шёлка многие даже не подозревают. На самом деле способность создавать шёлковые волокна встречается в природе гораздо чаще, чем принято считать. Только среди насекомых она возникала независимо не менее 23 раз — в том числе у муравьёв, ос, пчёл и других видов.
Исследователям впервые удалось получить белок шёлка одиночной пчелы в лаборатории, а затем превратить его в прозрачную самостоятельную плёнку. Пока такой материал нельзя использовать в готовых изделиях, но эксперимент открывает путь к дальнейшему изучению его свойств.
Насекомые применяют шёлк по-разному: строят паутины и гнёзда, создают коконы. Для пчёл он прежде всего служит защитой.
Шёлк производят не все пчёлы. У общественных видов, включая медоносных пчёл и шмелей, он используется для выстилания ячеек с потомством. Одиночные пчёлы, составляющие около 75% всех видов пчёл, создают из него коконы, защищающие личинок от неблагоприятных условий.
Учёные сосредоточились на голубой садовой пчеле Osmia lignaria — одиночном виде, который опыляет фруктовые сады. Её личинки развиваются внутри небольших коричневатых коконов вытянутой формы с характерным выступом на конце.
Эти коконы выглядят довольно просто, но обладают сложной структурой. Шелкопряд создаёт кокон из одной непрерывной нити, а личинка пчелы действует скорее как строитель. Она прикрепляет волокно к стенке гнезда, движением головы протягивает его к другой точке и закрепляет там. Процесс повторяется, пока личинка не оказывается полностью закрыта.
Кокон состоит всего из нескольких слоёв, однако они одновременно пропускают воздух, удерживают влагу, обеспечивают механическую защиту и мешают паразитам добраться до личинки.
Особую угрозу представляют паразитоидные осы. Они находят пчелиные коконы по химическим сигналам, а затем пытаются проколоть оболочку иглообразным отростком и отложить яйца внутрь. Для развивающейся пчелы шёлковый кокон остаётся практически единственной защитой.
Именно устойчивость пчелиного шёлка к проколам особенно заинтересовала учёных. Такое сочетание прочности и других механических свойств потенциально может пригодиться при создании хирургических нитей, каркасов для выращивания тканей и технических материалов.
Главной проблемой было получение шёлка без участия самой личинки. Сначала исследователи пытались извлекать отдельные волокна из уже готовых коконов. Это оказалось трудоёмким процессом: нити часто рвались.
Тогда команда решила собирать волокна непосредственно в момент их появления. Для этого учёные использовали напечатанную на 3D-принтере систему, имитирующую естественную полость пчелиного гнезда. Личинок ежедневно наблюдали и ждали, когда они начнут формировать кокон.
Первые свободные нити осторожно извлекали прямо у рта личинки, после чего закрепляли для механических испытаний. При этом пчёлы продолжали плести коконы, поэтому процедура оказалась минимально травматичной.
Получив образцы, учёные определили нужные гены и внедрили их в специально созданный микроорганизм. Он начал производить пчелиные белки шёлка — фиброины. Исследователи очистили их и изготовили прозрачные плёнки.
Это первый случай, когда белок шёлка одиночной пчелы удалось получить таким способом и превратить в самостоятельный материал.
Разные виды пчёл создают шёлк с разными свойствами. Например, шёлк медоносной пчелы более эластичен, чем шёлк садовой пчелы. В дальнейшем ту же технологию можно будет использовать для воспроизведения других разновидностей или для их смешивания с дополнительными компонентами.
Сейчас исследователи экспериментируют с особенно необычной комбинацией — соединяют пчелиный шёлк со слизью миксин.
Миксины — древние бесчелюстные глубоководные рыбы. При опасности они выделяют вязкое вещество, которое быстро расширяется в воде и может забить жабры нападающего животного.
Эта слизь состоит из слизи и тончайших белковых нитей. Если нити растянуть и высушить, их механические свойства приближаются к свойствам паучьего шёлка.
Для производства белков миксины и пчелиного шёлка исследователи используют похожие молекулярные методы. Кроме того, эти материалы обладают сходной базовой структурой белков. Поэтому в будущем их, возможно, удастся объединить, получив материал, сочетающий лучшие свойства каждого компонента.
Человечество использует шёлк уже тысячи лет, однако почти все исследования были сосредоточены на шелкопрядах и пауках. Между тем насекомые производят множество разновидностей шёлка, отличающихся составом и механическими характеристиками.
Учёные считают, что значительная часть этого природного разнообразия пока остаётся почти неизученной. Пчелиный шёлк может оказаться лишь одним из множества необычных материалов, возможности которых ещё предстоит раскрыть.
Результаты исследований опубликованы в журналах PLOS One, STAR Protocols и SynBio.
