Исследователи из Кембриджского университета (Великобритания) создали полимерную пленку, имитирующую свойства паучьего шелка, одного из самых прочных материалов в природе. Вещество такое же прочное, как и многие используемые пластмассы, что позволит ему заменить пластик в бытовых изделиях. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Пленка была создана с применением нового подхода к сборке растительных белков в материалы, имитирующие шелк на молекулярном уровне. Энергоэффективный метод, использующий экологически чистые ингредиенты, приводит к получению пленки, которая может быть изготовлена в промышленных масштабах. К полимеру можно добавить невыцветающий цвет, а также использовать его для изготовления водостойких покрытий. Этот материал пригоден для компостирования, в то время как другие виды биопластиков требуют промышленной обработки. Кроме того, он не требует химических модификаций и поэтому может безопасно деградировать в большинстве природных сред.
«Обычно мы исследуем, как функциональные белковые взаимодействия позволяют нам оставаться здоровыми и как нерегулярные взаимодействия вовлечены в болезнь Альцгеймера, — рассказал Туомас Ноулз c химического факультета Кембриджcкого университета, возглавлявший нынешнее исследование. — Мы были удивлены, обнаружив, что наши исследования могут также решить большую проблему устойчивого развития — проблему пластикового загрязнения».
В рамках своих исследований белка Ноулз и его группа заинтересовались тем, почему такие материалы, как паучий шелк, обладают высокой прочностью при слабых молекулярных связях. «Мы обнаружили, что одна из ключевых особенностей, которая придает паучьему шелку его прочность, — это то, что водородные связи в нем расположены регулярно в пространстве и при очень высокой плотности», — рассказал Ноулз.
Соавтор исследования Марк Родригес Гарсия занимается изучением того, как воспроизвести регулярную самосборку в других белках. Белки склонны к молекулярной самоорганизации и самосборке, а преимущество растительных белков в том, что они широко распространены и могут быть получены в качестве побочных продуктов пищевой промышленности. «Очень мало известно о самосборке растительных белков. Заполнив этот пробел в знаниях, мы сможем найти альтернативу одноразовым пластикам», — сказала PhD Аяка Камада, первый автор статьи.
Исследователи успешно воспроизвели структуры, обнаруженные в паучьем шелке, используя изолят соевого белка. «Поскольку все белки состоят из полипептидных цепей, при правильных условиях мы можем заставить растительные белки самособираться точно так же, как паучий шелк, — объяснил Ноулз. — Внутри паука белок шелка растворяется в водном растворе, который затем собирается в чрезвычайно прочное волокно посредством процесса прядения, который требует очень мало энергии».
«Другие исследователи работали непосредственно с шелковыми материалами в качестве замены пластика, но они все еще являются продуктом животного происхождения, — сказал Родригес Гарсия. — Мы придумали "веганский паучий шелк" — тот же материал, но созданный без участия паука».
Исследователи использовали изолят соевого белка (SPI) в качестве тестируемого растительного белка, поскольку его легко получить в качестве побочного продукта производства соевого масла. Такие растительные белки плохо растворимы в воде, что затрудняет контроль их самосборки в упорядоченные структуры. Новая методика использует экологичную смесь уксусной кислоты и воды в сочетании с ультразвуковым и высокотемпературным воздействием для улучшения растворимости SPI. Этот метод создает белковые структуры с усиленными межмолекулярными взаимодействиями, управляемыми водородными связями. На втором этапе растворитель удаляется, в результате чего образуется нерастворимая в воде пленка. Этот материал обладает характеристиками, эквивалентными высокоэффективным инженерным пластикам, таким как полиэтилен низкой плотности. «Это кульминация того, над чем мы работаем уже более десяти лет, — понимания, как природа генерирует материалы из белков», — рассказал Ноулз.
«Ключевым прорывом здесь стала возможность контролировать самосборку, поэтому теперь мы можем создавать высокоэффективные материалы, — подытожил Родригес Гарсия. — Очень интересно быть частью этого путешествия. Существует огромная проблема пластикового загрязнения в мире, и мы находимся в удачном положении, чтобы иметь возможность что-то с этим сделать».
Новый продукт будет коммерциализирован Xampla, дочерней компанией Кембриджского университета, разрабатывающей замену одноразового пластика и микропластика. В конце этого года компания представит ряд одноразовых капсул, которые могут заменить пластик, используемый в повседневных продуктах, таких как таблетки для посудомоечной машины и капсулы для стирального порошка.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
