Новые нити императора

«Оказывается, паучий шелк и козье молоко не так сильно отличаются друг от друга».

Доктор Джеффри Тернер, исполнительный директор Nexia Biotechnologies, 2001

В первый месяц нового тысячелетия Nexia Biotechnologies, в общем-то не рекламирующая себя фирма, базирующаяся на кленовой ферме в сельской местности Канады, сделала объявление. Они наконец-то открыли способ производства паучьего шелка в больших объемах.

Их секретный метод никоим образом не был связан с особенно ловким или особо крупным пауком. Он опирался на совершенно других животных – на коз . Nexia встроила гены кругопрядов-нефил, отвечающие за выработку шелка, в генетический код коз. Когда козы – трех самых знаменитых звали Веснушка, Пудинг и Конфетка – дали молоко, в нем содержался белок паучьего шелка. Чтобы получить шелк, коз доили, а затем извлекали из молока нужный белок и пряли нить, для которой Nexia нашла подходящее название, как в комиксах «Марвел»: BioSteel (Биосталь). (Финансовое обеспечение проекта шло от американских военных, чей интерес резко вырос, когда они выяснили, что некоторые виды паучьего шелка в пять раз прочнее кевлара, который используется для производства обычных бронежилетов). Поначалу мир был в восторге. Казалось, что люди наконец научились делать ткань, на совершенствование которой у пауков ушло 380 млн лет. Как ни печально, но рассказы о безграничных запасах паучьего шелка, полученного из козьего молока, оказались миражом. В 2009 г. Nexia обанкротилась.

Фундаментальная проблема для ученых и компаний, желающих воссоздать паучий шелк, заключается в ничтожной величине и сложности белков, из которых он состоит. Хотя характеристики этих белков зависят от вида пауков, их диеты и вида шелка, который был произведен, молекулярная структура часто включает в себя множество различных протеинов в сложной последовательности, делая ее невероятно трудной для воспроизводства в условиях лаборатории.

Еще одно препятствие – это нестабильность паучьего шелка. При формировании он жидкий, все время находится на грани отвердевания, но у пауков становится твердым только при прохождении через фильеры, оказывающие механическое давление, механизм которого до сих пор не понят. Для паукообразных этот переход из жидкого в твердое состояние имеет смысл, так как запасы жидкого шелка могут легко храниться в их теле и превращаться в нить по требованию. А вот для людей – имитаторов это огромное препятствие. До настоящего времени процесс так и не удалось воспроизвести в механизмах.

Несмотря на все эти трудности, Nexia не единственная компания, готовая рискнуть финансовым разорением и публичным позором, чтобы преодолеть их. Доктор Рэнди Льюис, специалист по молекулярной биологии в Университете штата Юта, купил стадо пауков-коз в 2009 г. и продолжил исследования. Но он не стал класть все яйца в одну корзину. Пусть Веснушка и Пудинг и были самыми фотогеничными козами в его работе, доктор Льюис ищет и другие организмы, чьи гены можно «уговорить» превратиться в необычных производителей шелка: картофель, люцерну (представитель семейства бобовых) и даже Escherichia coli, бактерию, вызывающую пищевое отравление.

Более простое решение, которое проверяют несколько различных фирм, предполагает изменение генов тутовых шелкопрядов. Одомашненные тутовые шелкопряды, Bombyx mori, уже являются очень эффективными производителями шелка. Около 40 % веса их тела заняты шелкоотделительными железами, и мастерство обращения с ними уже широко распространено. Если гены B. mori можно было бы изменить, чтобы они успешно вырабатывали паучий шелк, они удачно встроились бы в существующие цепочки поставок.

Но не все настолько оптимистичны, как доктор Льюис. Фриц Фольрат, биолог немецкого происхождения, изучал пауков и их шелк два десятилетия. Возможно, самая известная часть его исследований – это введение паукам различных наркотиков: ЛСД, амфетамина, кофеина и т. д., чтобы посмотреть, какое влияние они окажут на рисунок паутины. (Кстати, паутина, сотканная под влиянием кофеина, оказалась наиболее беспорядочной.) В настоящее время профессор руководит Оксфордской шелковой группой (Oxford Silk Group), исследовательской лабораторией, которая последние пятнадцать лет изучает химию, физику, эволюцию и экологию шелка на примере большого числа кругопрядов-нефил, живущих в переделанной оранжерее на крыше в Оксфорде.

В отличие от доктора Льюиса и многих других компаний, занятых попытками производства паучьего шелка, профессор Фольрат куда более пессимистичен. «Хуже видения курильщика опиума» – таково его мнение о попытках создания замены сухожилиям из синтетического паучьего шелка. Он еще более откровенен, когда речь заходит о том, чтобы использовать паучий шелк вместо кевлара: «Полная чушь. Люди в восторге от этого, потому что люди глупы». Да, паучий шелк достаточно прочен, чтобы остановить пулю, утверждает он, но только после того, как пуля пройдет через тело. Шелк эластичен, и это его недостаток, если речь идет о защите от пуль. Но недовольство Фольрата вызывает не столько шум, поднятый вокруг того, что некоторые предлагают производить материалы из паучьего шелка, сколько сам используемый продукт.

Фольрат настаивает на том, что ученые, какими бы ни были их отчеты в пресс-релизах, не способны воспроизвести вещество, которое вырабатывают настоящие паукообразные, потому что оно слишком сложное. С его точки зрения, на самом деле им удалось скопировать несколько «мотивов» белков из более крупных протеиновых цепочек. «Называть фрагменты того, из чего состоит паучий шелк, «паучьим шелком», – говорит профессор Фольрат, – это то, что теперь называют «альтернативным фактом». Даже если вы найдете способ заставить коз, кишечную палочку или картофель воспроизвести эти фрагменты белка, у вас все равно не будет жизнеспособного продукта. Выделить специфический скопированный протеин паучьего шелка из чего-то еще – сложный и грубый процесс, зачастую с использованием кислотных ванн. И этот процесс разрушает естественные свойства протеина, по сути убивая его и делая невозможным превращение его в нить.

Этот клубок противоречивых рассказов о будущем паучьего шелка запутывается еще больше из-за того, что поле исследований остается новым и небольшим и из-за относительной засекреченности деятельности коммерческих компаний, которые работают над созданием аналога паучьего шелка. За победными пресс-релизами следуют месяцы, а то и годы молчания. Определенно имеет смысл сохранять скептицизм, но даже критики утверждают, что паучий шелк заслуживает изучения. Работа, проделанная исследователями и компаниями, пытавшимися создать паучий шелк, в немалой степени расширяет наше понимание природы биополимеров (тех белков, которые были созданы «по мотивам» паучьего шелка) и может привести к новым открытиям. Оксфордская шелковая группа разработала метод «доения» отдельных пауков, которых укладывают на спину, не причиняя вреда, пока механическое мотовило медленно вытягивает и наматывает на барабан паучий шелк. У некоторых пауков этот процесс непрерывного производства шелка может длиться до восьми часов .

Даже если профессор Фольрат скептически настроен по отношению к продукту, который объявляют паучьим шелком, он уверен, что существует немало других аспектов, которые стоят того, чтобы их изучали. Большинство из них связано с медициной. Паучий шелк – природное антибактериальное и антисептическое средство, у него уникальная совместимость с клетками человека, а это означает, что наше тело его не отторгает. Oxford Biomaterials, коммерческое отделение исследовательской группы профессора Фольрата, в настоящее время испытывает паучий шелк как «леса» для регенерации нервов и экспериментирует с его использованием для восстановления сердечной мышцы. Конечная цель – это восстановление поврежденного спинного мозга.