Докато светът буквално потъва в пластмаса, учените търсят практични материали, които да бъдат едновременно леки, здрави и биоразградими. Усилията им вече водят до създаването на решения с необичайни свойства – сред тях са и рециклируеми материали, които могат да се разграждат дори в морска вода.
През последните години изследователите все по-често се обръщат към природата за вдъхновение. Значителна част от проучванията са посветени на впечатляващите свойства на коприната, с която паяците правят своите паяжини.
Но през цялото време пред очите ни се е криела още една обещаваща алтернатива – коприната на пчелите.
Ако това понятие ви звучи непознато, не сте единствени. Повечето хора никога не са чували, че пчелите също могат да произвеждат коприна.
Коприната е много по-разпространена в природата, отколкото предполагаме
„Производството на коприна е много по-разпространено в природата, отколкото повечето хора си дават сметка“, казва Оран Васерман – молекулярен биолог, защитил докторската си степен в Университета на щата Юта, в Лабораторията за паяжинна коприна на д-р Джъстин А. Джоунс.
„Способността за производство на коприна е възниквала независимо многократно в хода на еволюцията. Само при насекомите могат да бъдат проследени поне 23 отделни еволюционни произхода“, обяснява Васерман. Сред насекомите, които произвеждат коприна, са мравките, пчелите и осите.
По-рано тази година Васерман и колегите му за първи път успяват да създадат тънък филм от определен вид пчелна коприна. Постижението е важна първа стъпка към практическото използване на този забележителен природен материал.
В света на насекомите коприната има множество приложения – от изграждането на мрежи и гнезда до изплитането на защитни пашкули.
При пчелите основната ѝ функция е защитна.
За какво служи пчелната коприна
„Не всички пчели произвеждат коприна, но сред видовете, които го правят, има както социални, така и самотно живеещи пчели“, обяснява Васерман.
„Социалните видове, сред които са медоносните и земните пчели, използват коприна, за да облицоват килийките, в които се развива пилото. Самотно живеещите пчели, които съставляват около 75 процента от всички пчелни видове, изплитат копринени пашкули, предпазващи потомството им от неблагоприятните условия на околната среда.“
„Производството на коприна е много по-разпространено в природата, отколкото повечето хора си дават сметка.“
– молекулярният биолог Оран Васерман
Учените изследват свойствата на различните видове коприна от години, а коприна от медоносни пчели вече е била произвеждана по синтетичен път. Екипът на Джоунс отива още по-далеч, като успява да създаде в лабораторни условия копринени протеини от самотно живеещи пчели.
Това е важно, защото въпреки добре известните качества на паяжинната коприна – спрямо собственото си тегло тя може да бъде до пет пъти по-здрава от стоманата – възпроизвеждането ѝ в лаборатория се оказва изключително сложно.
Изследването на Васерман е съсредоточено върху синята овощна пчела (Osmia lignaria) – самотно живеещ вид и важен опрашител на овощните насаждения. Пашкулите на тази пчела са малки, продълговати и кафеникави, с характерно конусовидно връхче в единия край.
В по-широк план представителите на род Osmia, известни като пчели зидарки, имат особено значение за овощарството. Те могат да опрашват при по-ниски температури от медоносните пчели, което ги прави ценни през по-хладните пролетни дни.
Пашкулите им обаче са много по-здрави, отколкото изглеждат.
Пашкулът като миниатюрна защитна конструкция
Макар и копринените буби, и сините овощни пчели да използват коприна за изграждането на пашкули, начинът, по който го правят, е съвсем различен. Копринената буба изплита пашкула си от една непрекъсната нишка.
Пчелната ларва подхожда по-скоро като архитект, обяснява Васерман. Тя закрепва коприната за стената на гнездовата килийка, опъва нишката с движения на главата и я прикрепя към нова точка. Процесът се повтаря отново и отново, докато ларвата не се обгърне напълно.
Полученият пашкул се състои само от няколко структурни слоя. Те обаче действат заедно и осигуряват внимателно постигнат баланс между газообмен, механична устойчивост, задържане на влага и защита срещу паразити.
Последното е по-важно, отколкото може да изглежда на пръв поглед.
Пашкулите на самотно живеещите пчели са изложени на съвсем реална заплаха – паразитоидните оси. Те откриват пчелните пашкули с помощта на химични сигнали, след което се опитват да ги пробият с игловидното си яйцеполагало и да снесат яйца в развиващата се пчела.
Следователно коприненият пашкул е не просто обвивка, а на практика единствената защитна преграда между ларвата и нейните естествени врагове.
Тази индивидуална защита трябва да бъде разглеждана и в по-широк екологичен контекст. Дивите опрашители са подложени на все по-силен натиск от загубата на местообитания, употребата на пестициди и климатичните промени. Повишаването на температурите може да измести техните ареали и да наруши естествения синхрон между появата на пчелите и цъфтежа на растенията.
Различни етапи от развитието на ларвата и пашкула на O. lignaria. (Wasserman et al., PLOS One, 2025)
Устойчивостта на пашкула срещу пробиване е сред свойствата, които лабораторията на Джоунс в момента проучва по-задълбочено с помощта на нов експериментален протокол.
Именно съчетанието от механична устойчивост, пропускливост и способност за регулиране на влагата е особено ценно при разработването на биомедицински материали от следващо поколение – например хирургични конци, структури за тъканно инженерство и специализирани технически текстили.
За да могат тези качества да бъдат използвани на практика, учените първо трябва да се научат да възпроизвеждат коприната извън организма на пчелната ларва.
Как се извлича копринена нишка, без да бъде прекъснато изграждането на пашкула
Първоначално Васерман се опитва да отделя единични копринени влакна от вече завършени пашкули. Процесът обаче се оказва изключително трудоемък, а много от фините нишки се късат. Затова екипът решава да се върне директно към източника.
„Разработеният от нас протокол позволява копринените влакна да бъдат отделяни направо от устата на ларвата“, обяснява Васерман.
За целта изследователите използват 3D принтирана система за отглеждане, която имитира естествената гнездова кухина на пчелите. Ларвите се отглеждат вътре в нея, а самата система е разработена от изследователското звено за опрашващи насекоми към USDA-ARS.
Екипът наблюдава всяка ларва всекидневно и се намесва в точния момент, когато тя започва да преде – докато първите нишки все още са свободни и могат лесно да бъдат достигнати.
След това влакната се отделят внимателно и се поставят върху специални носители, за да бъдат подложени на механични изпитвания.
„Един от най-обещаващите аспекти на протокола е, че след процедурата ларвите продължават да изграждат пашкулите си. Това показва, че методът е минимално инвазивен“, отбелязва Васерман.
При първоначалното изпитване на метода учените успяват да отделят и механично да изследват 20 влакна от седем ларви, без да възпрепятстват последващото оформяне на пашкулите. Това е важна подробност, защото позволява копринените нишки да бъдат изучавани паралелно с развитието и здравословното състояние на пчелите.
От отделен ген до прозрачен копринен филм
След като успяват да изолират нишките, изследователите пристъпват към производството на пчелна коприна от самото начало. Чрез методи на молекулярната биология те въвеждат необходимите гени в специално модифициран микроорганизъм, който започва да произвежда съответните копринени протеини в лабораторни условия.
След това получените протеини, наречени фиброини, са пречистени и оформени като прозрачни, самоподдържащи се тънки филми.
Това е първият случай, при който копринен протеин от самотно живееща пчела е произведен по подобен начин и успешно е превърнат в самостоятелен материал.
Засега той все още не е готов за пряко практическо приложение. Разработената техника обаче отваря възможност пчелната коприна да бъде изследвана при различни видове, а нейната структура и механични свойства да бъдат подробно сравнявани.
Известно е например, че коприната на медоносните пчели е по-разтеглива от тази на овощните пчели. Същият лабораторен подход би могъл да се използва за нейното възпроизвеждане, както и за съчетаването ѝ с други природни или синтетични материали.
Неочакваният партньор на пчелната коприна
Точно това правят в момента Васерман и неговите колеги. Те съчетават пчелната коприна с един още по-необичаен материал – слузта на миксините.
Миксините са древни безчелюстни морски гръбначни, често определяни като риби. Когато са застрашени, те отделят гъст, лепкав секрет, който бързо увеличава обема си при контакт с морската вода и може да запуши хрилете на нападателя.
Слузта им представлява смес от мукус и изключително тънки протеинови нишки. Когато тези нишки бъдат опънати и изсушени, механичните им свойства се доближават до качествата на паяжинната коприна.
В лабораторията на Джоунс се използва един и същ молекулярен процес за производството както на протеини от миксини, така и на пчелна коприна. Двата материала имат сходна основна протеинова структура, което означава, че потенциално биха могли да бъдат смесвани.
Така в бъдеще може да се появят нови материали, съчетаващи най-добрите качества и на двата природни източника.
На този етап най-голямото значение на изследването не е обещанието за незабавна поява на нов „суперматериал“, а разширяването на набора от природни протеини, с които инженерите могат да работят. Колкото повече видове коприна бъдат подробно изучени, толкова по-реалистична става възможността за създаване на материали с предварително подбрана комбинация от здравина, еластичност, пропускливост и биоразградимост.
Природно разнообразие, което тепърва започваме да разбираме
„Хората използват коприната за различни цели от хилядолетия“, казва Васерман. „Въпреки това по-голямата част от научното внимание е насочена само към шепа видове – преди всичко към копринената буба и паяците.
„Ако погледнем насекомите в по-широк план, разнообразието на произвежданата от тях коприна е поразително. Тя се преде от множество видове и се различава значително както по своя състав, така и по механичните си свойства. Въпреки това изненадващо много нейни характеристики, включително строежът на копринените нишки и пашкулите, остават слабо проучени.
„С напредването на тази научна област очаквам постепенно да започнем да намираме отговорите на много от все още неизяснените въпроси.“
Резултатите от изследванията са публикувани в научните издания PLOS One, STAR Protocols и SynBio.
