Учёные раскрыли молекулярный секрет прочности паучьего шёлка, открыв путь к материалам будущего

Исследователи из Королевского колледжа Лондона и Университета штата Калифорния в Сан-Диего впервые расшифровали молекулярный механизм, придающий паучьему шёлку прочность, превосходящую сталь, и вязкость, более высокую, чем у кевлара. Это открытие прокладывает устойчивый путь к созданию био-вдохновлённых волокон для аэрокосмической промышленности, а также даёт новое понимание белковых структур, связанных с нарушениями работы человеческого мозга, такими как болезнь Альцгеймера.

Ключом к невероятным свойствам паутины, как выяснилось, являются специфические аминокислоты — аргинин и тирозин. Они действуют как «молекулярные липучки», запуская процесс сближения и упорядочивания белков в жидком «шёлковом коктейле» внутри паучьей железы. Именно это взаимодействие инициирует превращение жидкого белка в сверхпрочное твёрдое волокно. Для своего открытия междисциплинарная команда использовала комбинацию передовых методов: моделирование с помощью AlphaFold3, молекулярное моделирование и ЯМР-спектроскопию.

Удивительным аспектом исследования стало обнаружение сходства между механизмом формирования паутины и сложными сигнальными процессами в рецепторах человеческих нейромедиаторов и гормонов. По словам соавтора работы, профессора Грегори Холланда, паучий шёлк, который кажется простым природным волокном, на самом деле использует очень изощрённый молекулярный приём, аналогичный процессам в организме человека. Это делает паучий шёлк оптимизированной природной моделью для изучения биологических процессов, которые при сбое приводят к нейродегенеративным заболеваниям.

В обоих случаях — и при создании паутины, и при развитии, например, болезни Альцгеймера — белки переходят из жидкоподобного состояния в плотную структурированную форму. Однако если у пауков результатом становится прочнейшее волокно, то у человека это может приводить к образованию бляшек, нарушающих работу мозга. Таким образом, изучение эволюционно отточенного механизма паутины может подсказать, как контролировать подобные процессы.

Открытие «молекулярных липучек» паучьего шёлка открывает широкие перспективы для создания нового поколения высокопрочных и устойчивых материалов для авиации, защитной экипировки и медицинских применений.

Исследование было опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.