Článok v pdf

Prírodné vlákna, ktoré sú pevnejšie a pružnejšie ako oceľ a navyše oveľa elastickejšie? Materiál, z ktorého by sa dali vyrábať nepriestrelné vesty a náhradné umelé ľudské šľachy? Nejde o žiadnu exotickú látku zo sci-fi filmu, ale o niečo, čo nahnevane vysávame z kútov izieb a ometáme spoza okien – pavučiny.

Pavúky si začali stavať siete minimálne pred 140 miliónmi rokov – z tohto obdobia totiž pochádza nález pavučiny v jantári. V súčasnosti sú pavučiny používané pavúkmi zväčša na lovenie hmyzu, ale ich pôvodná funkcia bola iná. Keď približne pred 400 miliónmi rokov začali predkovia dnešných pavúkov osídľovať súš, hodvábne vlákna využívali na ochranu svojich tiel a vajíčok. Aj v dnešnej dobe však existujú druhy, ktoré nelovia hmyz pomocou pavučiny, ale pavučinové vlákno využívajú len na vytvorenie kokónu s vajíčkami. Vlákna sú tiež použité na obalenie čerstvo ulovenej koristi, na obalenie spermií, ako „plachty“, pomocou ktorých môžu pavúky „lietať“ a osídľovať nové územia, na stavbu hniezd a slúžia aj ako navigačné a uchytávacie vlákna – aby sa pavúky pomocou nich mohli vrátiť „domov“. Pavúk vodný si zas pod vodou buduje sieťku, do ktorej zachytáva vlastnoručne donesené bublinky vzduchu.

Pavúk vodný so svojou pavučinou s bublinou vzduchu

Hodvábne balenie koristi križiakom pruhovaným

Ako vzniká prírodné „supervlákno“

Väčšina svetovej produkcie prírodného hodvábu je závislá od výlučkov húseníc motýľa priadky morušovej. Tieto húsenice po štyroch zvlečeniach začnú zo svojich dvoch snovacích žliaz produkovať tekutinu, ktorá na vzduchu rýchlo stuhne a vytvoria si tak kokón, v ktorom sa zakuklia. Vlákno v jednom zámotku je dlhé približne 1 kilometer a je hrubé 0,037 mm. Odhaduje sa, že ročná celosvetová produkcia tohto hodvábu predstavuje približne 112 miliárd kilometrov vlákna.

Priadka morušová s kokónom

Iný typ prírodného hodvábu produkujú pavúky svojimi snovacími žľazami. Oproti hodvábu priadky morušovej je toto vlákno minimálne štyrikrát tenšie (v závislosti od druhu) a výrazne pevnejšie a pružnejšie. Zjednodušene povedané, bez porušenia vydrží väčší tlak zvonku (napríklad naťahovanie vlákna) a má lepšiu schopnosť potom nadobudnúť pôvodný tvar. Pavúčie snovacie žľazy ústia v dvoch až štyroch pároch snovacích bradaviek, ktoré u predkov dnešných pavúkov vznikli premenou zadočkových končatín. Snovacích žliaz existuje viacero druhov, pričom niektoré sa vyskytujú u všetkých druhov pavúkov, a niektoré len u niektorých. Rôzne snovacie žľazy produkujú rôzne typy vlákien – pevné vlákno na obalenie koristi, vlečné vlákno, ktoré za sebou necháva spúšťajúci sa pavúk, či rôzne lepkavé vlákna na upevnenie pavučiny a chytanie hmyzu.

Hlavnou zložkou pavúčieho hodvábu je rovnako ako u klasického hodvábu bielkovina fibroín. Tá je tvorená hlavne aminokyselinami alanínom a glycínom a menším množstvom iných aminokyselín, ako napríklad serín a leucín. Vlastnosti vlákna sú zabezpečené striedaním tvrdých kryštalických oblastí tvorených takmer výlučne alanínom a elastických „beztvarých“ úsekov tvorených prevažne glycínom. Sekvencie alanínov vytvárajú útvary, ktoré sa nazývajú beta-skladaný list, pretože svojím tvarom pripomínajú harmoniku poskladanú z papiera, a tie spolu kryštalizujú. Glycínové oblasti vytvárajú voľné slučky alebo závitnice.

Štruktúra pavúčieho vlákna – kryštalické alanínové úseky a beztvaré
oblasti s vysokým obsahom glycínu

Medzi neproteínové zložky vo vlákne patrí organická látka pyrolidín, ktorý mu dodáva schopnosť priťahovať vodu (a tým si udržiavať vlhkosť) a anorganický trihydrogénfosforečnan draselný, ktorý do vodného prostredia uvoľňuje protóny, čím pavučine zabezpečuje kyslé pH (okolo 4). Kyslé pH chráni proteíny v pavučine pred natrávením hubami a baktériami.

„Spiderman“ namiesto človeka?

Už oddávna pastieri v južných Karpatoch prikladali na rany pavučiny, aby sa rana lepšie hojila. Neskôr vedci dokázali, že pavúčie vlákna majú naozaj protizápalové účinky a sú bohaté na vitamín K, ktorý napomáha zrážaniu krvi. Navyše sa zistilo, že ide o materiál kompatibilný s ľudským telom. Preto by sa z pavúčích vlákien dala teoreticky vyrobiť nová koža, rôzne tkanivá a šľachy a tiež ultratenká „niť“ na šitie pri chirurgických zákrokoch v oku a nervovej sústave.

Keďže sú pavúčie vlákna veľmi pevné a odolné a zároveň ľahšie ako syntetické polyméry, dali by sa ako materiál využiť napríklad v letectve a konštrukcii pretekárskych vozidiel. Takéto padáky by sa vošli do malej kabelky a tenké tričko by mohlo byť nepriestrelné takmer ako z kevlaru.

Náročné pavúky

Prečo teda všetci už dávno nenosíme ultraľahké a ultrakvalitné oblečenie z pavúčích vlákien? Problémom je dostupnosť pavúčieho hodvábu, pretože pavúky sa nedajú chovať „na pavučiny“, ako sa chová priadka morušová – vyžadujú svoje teritórium a sú voči sebe agresívne. Zbieranie pavúkov a získavanie hodvábu z nich tiež nie je efektívnou metódou. Na svete je zatiaľ dokumentovaná len jedna takto vytvorená pavúčia tkanina s rozmermi 3,4 m x 1,2 m. Bolo na ňu treba viac než milión pavúkov, ktoré nazbieralo 82 ľudí v priebehu štyroch rokov. Môžete si ju prehliadnuť na tomto videu v anglickom jazyku:

http://www.youtube.com/watch?v=2z07dB3sKTs

Veľkým prevratom bolo, keď sa v roku 2000 kanadskej biotechnologickej firme podarilo vytvoriť kozy nesúce pavúčí gén pre tvorbu hodvábu. Samice takýchto kôz vo svojom mlieku tvoria proteíny hodvábu, ktoré sú potom z mlieka získavané špecifickými metódami. Mlieko sa najprv odstredí, aby sa zbavilo tuku, a potom sa k nemu pridajú soli, čím sa vyzrážajú proteíny. Tekutina sa odstráni a vyzrážané proteíny sa rozpustia vo vode. Vznikne emulzia, z ktorej sa spriada vlákno. Takto vzniknuté vlákno s priemerom 10 – 60 μm je však približne 10-krát hrubšie ako skutočné pavúčie vlákno.

Skúmajú sa aj alternatívne metódy na získavanie pavúčieho hodvábu, aby sa docielila jeho teoretická ešte lacnejšia a jednoduchšia produkcia. Patrí medzi ne výroba vlákien pomocou bunkových kultúr húseníc motýľa Spodoptera frugiperda, kedy vedci odobrali bunky húseniciam, prinútili ich rásť a pomocou vírusu do ich genetickej informácie vniesli pavúčí „hodvábny“ gén. V roku 2010 sa ukázalo, že pavúčí hodváb môže produkovať aj rovnako upravená baktéria Escherichia coli a tiež húsenica priadky morušovej, u ktorej bol jej vlastný „hodvábny“ gén vymenený za pavúčí.

Žiaden materiál, ani pavúčí hodváb, nie je taký dobrý, aby nemohol byť ešte lepší. Ak sa pri spriadaní vlákien využilo aj elektrostatické pole, podarilo sa vyrobiť tenšie vlákna, ako pri klasickej extrakcii z mlieka, nazvané nanovlákna (lebo ich priemer sa udáva v nanometroch). Po pridaní karbónových nanotrubičiek do emulzie, z ktorej sa vlákno vyrába, sa získa pavúčie nanovlákno s ešte lepšími mechanickými vlastnosťami. Ešte pevnejšie vlákno sa dá získať pridaním iónov kovov titánu, hliníka a zinku k vláknu. Zatiaľ však išlo vždy len o prvé pokusy, od ktorých je k uplatneniu v praxi ešte ďaleká cesta. Je však možné, že za niekoľko generácií bude nylon a iné syntetické vlákna minulosťou a dievčatá budú môcť nosiť nepriestrelné „silonky“ z pavučiny.

Lenka Veselovská