Коконы тутового шелкопряда – уникальная находка человека, обеспечившая ему появление нежной и роскошной ткани. Однако американские учёные нашли прочному и натуральному волокну другое применение. После несложной обработки его можно использовать в качестве оптических устройств, применение которых поможет медицине безопасно контролировать многие процессы в живом организме.

Одна из "шёлковых" заготовок с логотипом университета (фото Tufts University).

Коконы тутового шелкопряда доставляют в Америку из Японии. Большинство из них уходит на производство шёлковых тканей и одежды, однако часть достаётся и научным группам.

Биоинженер Фьоренцо Оменетто (Fiorenzo Omenetto) из американского университета Тафтс однажды задумался над другими возможными применениями прочных белковых волокон, которые навивают вокруг себя гусеницы.

Идея создания оптических устройств на основе шёлка появилась у Фьоренцо, когда он вёл совместную работу со своим соседом по этажу профессором Дэвидом Капланом (David Kaplan), занимающимся созданием из белков шёлка различных каркасов для биологических тканей.

Оменетто, будучи физиком, быстро понял, что если из нитей тутового шелкопряда (после соответствующей обработки) можно создать заменитель роговицы глаза, то почему бы не использовать эту же технологию для создания особого оптоволокна?

Ранее Оменетто и его коллеги разрабатывали сенсоры на основе шёлка, которые были чувствительны к бактериям E.coli и вредным веществам в пищевых продуктах. Однако, поработав с Капланом, учёный увлёкся шёлковыми волокнами и оптическими свойствами фиброина (фото Porter Gifford).

Вместе с Капланом они продумали и разработали технологию создания из шёлковых волокон оптических материалов, которые стали основой для различных биологических сенсоров и прочих устройств.

Почему же предпочтение отдаётся именно шёлку? Во-первых, потому что его волокна одни из самых прочных (среди натуральных материалов). Кроме того, белки этого природного продукта растворяются в теле человека без каких-либо последствий для его здоровья.

Создание устройств на основе шёлка не требует обработки исходного продукта едкими и ядовитыми химическими соединениями, нет необходимости использовать высокие температуры (как в случае со стеклом и различными пластиками).

Как следствие, в процессе обработки к белкам шёлка можно "пришить" другие биологические молекулы, которые не выжили бы в агрессивной среде.

Такие встроенные вещества могли бы работать годами. Хотя, конечно же, всё зависит от конкретных свойств и "долголетия" того или иного соединения, ведь в любом живом организме идёт постоянное обновления клеток и материалов в связи с их биологическим изнашиванием.
В ходе своих исследований Фьоренцо выяснил, что при всём при этом работают "шёлковые" имплантаты не хуже, а то и лучше своих искусственных аналогов. (Смотрите интервью исследователя.)

О том, как именно в лаборатории Оменетто создают природное оптическое волокно, рассказывает ведущий технолог Кармен Преда (Carmen Preda).

Чтобы довести шёлковые волокна до необходимого состояния, проводится несколько этапов обработки нити, созданной гусеницей тутового шелкопряда (Bombyx mori).

В таком виде материал привозят к учёным. Нить в коконе можно растянуть на длину 300-900 метров (фото Porter Gifford).

Сначала коконы разрезаются напополам, затем оттуда удаляется мёртвая личинка. Половинки варятся в растворе карбоната натрия (щелочная среда). Делается это, дабы растворился серицин, белковый компонент, склеивающий шёлковое волокно в кокон. Это вещество удаляют не столько для того, чтобы "размотать" нить, сколько из-за неблагоприятных последствий действия серицина на человеческий организм (вызывает нежелательные реакции со стороны иммунной системы).

После того как волокна высыхают, их растворяют в бромиде лития, затем охлаждают и с помощью шприца закачивают в специальные картриджи, обычно используемые для диализа. Пакеты помешают в стакан с водой (таким образом химики "вытягивают" из раствора соль – уходит через полупроницаемую мембрану картриджа).

В результате всех этих операций внутри контейнера остаётся чистый вязкий раствор фиброина, очищенного белка шёлка. Этот материал и становится основой для будущих разработок Оменетто.

Слева: удаление серицина. Справа: Преда распределяет прозрачный раствор по картриджам для дальнейшей очистки (фото Porter Gifford).

Сама по себе технология получения фиброина не нова, её в том или ином виде часто используют для получения из белка шёлковых волокон аминокислоты тирозина (её по сравнению с другими аминокислотами в фиброине существенно больше).

Новизна данного исследования в том, какое применение протеину шёлка придумали американские исследователи.

Для Фьоренцо сиропообразную жидкость распределяют по пробиркам. Чтобы создать оптический биосенсор, Оменетто добавляет к фиброину необходимые чувствительные к тому или иному компоненту вещества. "К этому водному раствору легко подмешать любое растворимое в воде соединение", — говорит учёный.

Работает всё очень просто. Волокно со встроенной молекулой (детектором кислорода, сахаров или протеинов бактерий) меняет свою структуру, если в непосредственной близости от неё появляется соединение-цель. В результате меняются физические свойства материала сенсора, а именно характеристики проходящего через него света (в частности, цвет). Датчик фиксирует изменения и интерпретирует их в данные о соединении-цели.

Простейший пример: чувствительный к кислороду гемоглобин. Захватывая восьмой химический элемент, он будет менять оптические характеристики волокна.

Точно так же в живом организме гемоглобин меняет цвет крови, цикл за циклом захватывая и отдавая кислород (различия артериальной и венозной крови видны даже невооружённым глазом).

Раствор фиброина пипеткой наносят на заготовку, через некоторое время прозрачный материал застывает, повторяя контуры как нано- так и макрообъектов (фото Porter Gifford).

Впрочем, с разрабатываемыми биологическими сенсорами всё несколько сложнее. Заметить изменения на глаз удаётся очень редко (да это и не нужно, так как достоверный результат всё равно требует точных измерений и расчётов).

Отметим, что гемоглобин – достаточно стабильный белок, что, несомненно, упрощает работу с ним. Однако биохимикам удалось сохранить активность и других, более "нежных" соединений – ферментов.

В качестве показательного эксперимента группа Оменетто встроила в волокна фиброина летучее соединение пероксидазу, получаемое из растений хрена (Armorácia) и часто используемое в различных тестах. Затем хороший результат был получен и с гексокиназой (энзимом, связывающим сахара).

Биохимики работают над увеличением эффективности поглощения соединений-целей (по сути чувствительности сенсоров).

В будущем новую разработку планируют использовать в качестве имплантируемых биодеградирующих сенсоров, которые смогут контролировать состояние пациентов, перенёсших операцию или же имеющих хронические заболевания, например диабет (сенсор на глюкозу).

Однако для того чтобы создать работающее устройство, мало просто дополнить фиброин чувствительными молекулами. Необходимо создать из материала матрицу, имеющую наноразмерные элементы. Это важно для работы будущего сенсора, ведь свет начнёт взаимодействовать с волокном только при условии соразмерности составляющих с длиной волны (для видимого света это диапазон в пределах 400-700 нанометров).

Чтобы продемонстрировать оптические свойства шёлкового белка (как мы уже сказали, мало чем отличающегося от других оптических материалов), учёные создали матрицы с гемоглобином.

При помощи обычной химической пипетки раствор разливается в специальные формы, после его оставляют высыхать при комнатной температуре в течение восьми часов. Затем полученные заготовки осторожно вынимают из формы щипцами.

Устройство представляет собой красную пластину (цвет придают молекулы гемоглобина) с несколькими встроенными оптическими элементами, например дифракционной решёткой, расщепляющей белый свет на составляющие. Каждый из показанных здесь квадратиков является отдельным сенсором на кислород (фото Porter Gifford).

Получаются простейшие сенсоры кислорода. По мере поглощения этого элемента из капли крови, нанесённой одним из учёных, пластинка меняет цвет. Как следствие, меняются характеристики проходящего сквозь сенсор света. Их регистрирует фотодиод.

Ловить можно и глюкозу, и маркеры онкологических заболеваний, и продукты, выдающие присутствие определённых бактерий.

Под действием вещества окраска крыла бабочки меняется радикальным образом (кадр из видео с сайта technologyreview.com).

Однако результатом всей этой работы станут не только лабораторные чувствительные элементы. Оменетто уже создал устройство, которое перенаправляет свет от поверхности кожи к сенсору и обратно, где его показатели считывает фотодетектор.

Такие структуры можно будет вживлять после операций по удалению опухолей (мониторинг развития осложнений и повторного развития патологических процессов), во время трансплантации органов и тканей (для контроля над приживаемостью). Со временем сенсоры растворятся в организме, как хирургические нити и создаваемые Капланом каркасы биологических тканей.

В планах учёных создание сенсоров с более радикальной сменой цвета (заметной невооружённым глазом). На разработку таких устройств Фьоренцо вдохновили бабочки морфиды, у которых цвет крыльев определяется не пигментацией, а структурой микроскопических белковых палочек. Под действием молекулы-цели менялись бы положение наноструктур и общий цвет сенсора.

По словам Оменетто, данная разработка – лишь вопрос времени, так как единственное препятствие на пути к таким более информативным сенсорам – это создание подходящих форм-заготовок.