Pavoučí „ocel“

Po staletí hleděli lidé na pavoučí vlákno se závistí a bylo přáním nejedné přadleny sepříst takto tenkou a pevnou nitku. Nezdařilo se ani jedné jediné.

„Když ne přadlena, tedy ať nám dodávají nitě samotní pavouci,“ pomyslelo si nezávisle na sobě a v různých dobách několik koumáků.
První doložené pokusy s využitím pavoučích vláken byly provedeny v 18. století. Výroba pavoučího hedvábí se inspirovala bourcem morušovým, byla totiž užívána vlákna, která se odvíjela z kokonů pavouků, a nikoliv ze sítí (těch využil prvně až B. G. Wilder koncem 19. století).
Jedním z prvních „hedvábníků“ zřejmě byl Francouz Bon de Saint-Hilaire. Tento pán se v 18. století rozhodl, že bude vyrábět ty nejjemnější látky na světě a k jejich výrobě, jako nití, použije nejlepší tkadleny – čili pavoučice. (Vlákno u pavouků stavějících sítě, snovají pouze samičky. Samci jen výjimečně loví potravu, nepotřebují tedy tkát lapací sítě, jakmile totiž přejdou ze stádia nymfy do dospělosti, žijí krátce. Jejich úkol je jediný - vyhledat samičku a předat jí své pohlavní buňky.) Tento podnikatel nechal pochytat tisíce maličkých tkadlen a zavřel je všechny společně do jedné velké prostory, zajistil jim i potravu, ale na vlákna se těšil marně. Ono se totiž samičky pavouků vyznačují jednou nepěknou vlastností – kanibalismem. Silnější zbaští tu slabší, to ale Hilaire zjistil pozdě, tkadleny už se mu pojedly.
Asi tak před stodeseti lety na Madagaskaru jistý reverend P. Camboué nechal domorodce sbírat místní Nephily (jejich vlákno bylo uznáno nejvhodnějším). Byl přírodovědy znalejší - pavouky jednotlivě uzavíral do klícek. V klíckách byli pevně přichyceni v úzké štěrbině, která je přidržovala mezi hlavohrudí a zadečkem. Za klíckou byla umístěna cívka pro navíjení vlákna. Cívka se nepřetržitě otáčela a tím vznikal neustálý tah vlákna, který nutil „přadleny“, aby neustávaly v jeho produkci.
Misionář měl štěstí podařilo se mu získat malé množství kvalitních pavučinových vláken. Nechal z nich utkat tři krásné jemné lamby a ty daroval královně (lamba je tradiční malgašský oděv z velkého čtverce nebo obdélníku látky, který nosí muži i ženy nejrůznějším způsobem – přehozen přes ramena, uvázán kolem prsou nebo kolem pasu ap.). On nebyl poslední, zkoušeli to další, ale všichni zaměstnavatelé pavoučič poznali, že tudy cesta nevede.

Další využití pavoučích vláken napadlo výrobce různé optiky v osmdesátých letech 19. století –v této době se totiž přišlo na to, že vlákno pavučiny je dostatečně tenké, přitom pevné - tím pádem je to vhodný materiál pro zamontovávání do optiky všude tam, kde je potřeba mít v zorném poli tenký zaměřovací kříž, nebo různé stupnice ( v mikroskopu, v hvězdářském dalekohledu , v dalekohledu na pušce či v dělostřeleckém zaměřovači). Za druhé světové války, zcela logicky byla velká spotřeba zbraní, které musely mít zaměřovače, v USA tak vznikl „ pavučí průmysl“. Asi nejznámější v tomto oboru byl Nan Songer, který měl svoji továrnu v Kalifornii, v ní pro něj pracovaly černé vdovy (jeden ze dvou jedovatých druhů pavouků vyskytujících se na území Spojených států).

Vše bylo neuvěřitelně složité a nákladné a nikdo jiný nepřišel na lepší nápad, jak pavouky přesvědčit, aby tkali průmyslově jako stroje. Proto se pavoučí vlákna "dodaná přímo od zdroje“ zřejmě nikdy nebudou používat. Ovšem genoví inženýři a chemici prohlašují, že je jen otázkou času, kdy se podaří uměle vyrobit nefalšované pavoučí vlákno. Co si z něj pak utkáme, to prý už bude naše věc. A možná, že skutečně za krátkou dobu se budou průmyslově tkát materiály z pavoučích vláken. Poslední pokusy jsou totiž velice nadějné.
Genetickým pokusům ovšem předcházel složitý výzkum:
V roce 1994 skupina amerických vědců z Cornell's Center for Advanced Technology zjistila následující:
vlákno pavučiny je z keratinu, v němž jsou především zbytky aminokyseliny alaninu spojeny do delších úseků, které mají charakteristickou prostorovou stavbu známou jako skládaný list. V něm jsou řetězce orientovány navzájem rovnoběžně, takže je to velmi uspořádaná struktura, a právě tyto úseky dodávají vláknu jeho pevnost. Další části řetězce, kde se vyskytují nejrůznější aminokyseliny, jsou naopak velmi málo orientované, takže vytvářejí amorfní matrici, v níž jsou uloženy uspořádané části. Tato amorfní struktura naopak dodává vláknu jeho ohebnost.
Na univerzitě v New Hampshire při výzkumech zejména sítí křižáků Nephila clavipes zjistili:
Sušina 34 sítí vážila dohromady 23,6 miligramu, na jednu síť tedy připadly 694 mikrogramy. Z celkové hmotnosti tvoři lo 51 procent frakci ve vodě rozpustnou a 49 procent tvořil ve vodě nerozpustný fibroin. Složka ve vodě rozpustná, na niž byla studie zaměřena, měla pH 4,9 a obsahovala K+ (1,8 %), Na+ (0,5 %), anorganické fosfáty a téměř 21 procent GABA (kyselina gama-aminomáselná).
Toto byl první krok k možnosti vyrábět pavoučí vlákna uměle. Potom následoval nápad.
Totiž roztok, který tvoří pavouci ve svých žlázách a vylučují snovacími bradavkami jako tekutinu na vzduchu tuhne a mění se na materiál nerozpustný ve vodě. Shodné polymery vyráběné průmyslově k tomu skoro vždy potřebují vysokou teplota nebo přítomnost silných kyselin. Jak to? Přemýšleli vědci a ten nápad byl obrátit se ke genovému inženýrství. Identifikovat a popsat ten úsek DNA pavouka, který kóduje právě posloupnost aminokyselin daného typu keratinu, který má tyto vlastnosti. Nakonec to dokázaly dvě laboratoře v USA a získanou mírně modifikovanou DNA jednoho druhu pavouka se podařilo vpravit do bakterie Eschrichia coli. Dosáhlo se toho, že bakterie produkuje bílkovinné fragmenty, jež jsou ve většině detailů totožné s odpovídajícími úseky keratinu pavoučího vlákna.
V jiných laboratořích na to šli jinak a byli úspěšnější:
Jedná se o kanadskou firmu Nexia Biotechnologies ve Vaudreuil Dorion (Québec) a Materials Science Team U.S. Army. Geny pro tvorbu pavoučích vláken izolovaly z druhu Araneus diadematus (křižák) a Nephila clavipes a trensgenním zvířátkem, kterému je předali a které bude produkovat pavoučí hedvábí je koza (přesněji trpasličí koza západoafrická, který byla nejvhodnější). Jak bude koza snovat vlákna? Postup je následující: Ony izolované pavoučí geny se nejdříve získávají z pavoučího prášku - pavouci se zmrazí v tekutém dusíku a následně rozemelou, z prášku se vyextrahuje DNA. Správné geny pro tvorbu nezaměnitelných pavoučích vláken vědci přenesou do vajíček koz, která v laboratoři uměle oplodní. Po narození kůzlat z těchto vajíček mají všechny „pavučinový gen“ v každé své buňce (transgenní zvířata), ale pouze samice budou v mléku produkovat i látku totožnou s pavoučím hedvábím. Toto je zajištěno tím, že DNA se ještě modifikuje přidáním "genetického spínače", který aktivuje gen pouze tehdy, je-li přítomen v mléčné žláze.
Konečně se dostáváme k výrobě „pravých“ umělých pavoučích vláken. Mléko se nejprve odstředí (aby se zbavilo tuku), potom se k mléku přidá sůl ( z důvodu vysrážení proteinů pavoučího hedvábí). Ke dnu klesnou vysrážené proteiny. Směs se opět odstředí, mléko se scedí a k sedimentu se přidá voda. V dalším kroku se sediment rozpustí ve vodě a vznikne zlatavá emulze – to je onen pavučinový koncentrát, který je skoro totožný s tím, co má ve své žláze pavoučice.
Nyní se může začít „tkát“ vlákno. Pavučinový koncentrát se vystřikuje pod tlakem tryskou. Odpařováním vody ze stříkaného koncentrátu, vzniká vlákno. Za hodinu se ho vytvoří asi sto metrů. Potom se průhledné a lesklé vlákno navíjí na cívku a zároveň se napíná na krajní mez pevnosti (tak to dělá i pavouk při snování sítě). Tím se vlákno nejen prodlužuje, ale současně se zvyšuje i jeho pevnost. Nejobtížnější přitom je vyrobit vlákno tak, aby bylo po celé délce stejnoměrně silné. Vzniklé vlákno bylo nazvané BioSteel ( bioocel). Jádro vlákna je z domén bohatých na alanin (zajišťuje pevnost) a domén bohatých na glycin (zajišťuje pružnost). Protože je však tvořeno jen jediným druhem bílkoviny, pevnost pavučiny zatím nemá. Mechanické vlastnosti pavučinových vláken totiž určuje především jejich struktura a chemické složení. A proč se vlastně tak člověk snaží napodobit pavouka, copak nám nestačí na oděvy vlákna , co jsou k dispozici? Ono se zde jedná o něco jiného než o oděvnictví – už název bioocel napovídá, co tato tenká vlákýnka dokáží.
Tým amerických vědců vedený J. M. Goslinem zkoumal pevnost a pružnost rámového vlákna sítě křižáka Araneus sericatus. Na počátku má rámové vlákno pevnost kolem 1010 pascalů, která klesá ve finální oblasti přibližně na 4x109 pascalů. Největší zatížení dosažené před prasknutím činí kolem 1,4x109 pascalu a vlákno se předtím protáhne o 30 procent.
Takovéto vlastnosti zařadily pavoučí vlákna na první místo mezi biologickými materiály. Na hmotnostní jednotku jsou pevnější než ocel a jsou srovnatelná se superpevným polymerovým materiálem kevlar. A pak se řekne je jak pavučinka.