Svět potřebuje nová a neškodná lepidla. Mezinárodní tým vědců je začal hledat v živočišné i rostlinné říši. Může se inspirovat mnohými „divy světa“.

Málokdo by hledal souvislost mezi thajskou trpasličí chobotnicí, mlokem ze severoamerického lesa nebo vykrmenou housenkou bource morušového. Něco společného však mají. Umějí produkovat jedinečná lepidla, jež jim slouží pro přichycování k podkladu, lovení kořisti, maskování nebo k obraně.

Podobné přírodní látky mohou pomoci i lidem, například v lékařství, kosmetice nebo potravinářství. Lákavá je i představa, že zastoupí syntetická lepidla s jejich toxickými účinky a negativním dopadem na životní prostředí.

Chobotnice Idiosepius biserialis se pomocí svého lepidla přichytává mořské trávy nebo řas, aby se tak stala nenápadnou před predátory. Foto Janek von Byern.

Chobotnice Idiosepius biserialis se pomocí svého lepidla přichytává mořské trávy nebo řas, aby se tak stala nenápadnou před predátory. Foto Janek von Byern.

Lepidla znali už neandertálci

Lepivé látky rostlinného nebo živočišného původu se v pradávné lidské historii objevily spolu s používáním kamenných nástrojů. Nejstarší archeologické nálezy naznačují, že přírodní lepidla používali již neandertálci. Svědčí o tom například dva malé, ztužené kusy černého materiálu objevené v roce 1963 při archeologickém průzkumu pravěkého loveckého tábora v Königsaue v někdejším východním Německu. Kousky obsahovaly otisk prstu a vtištěný tvar zřejmě pocházející od dřevěné rukojeti. Analýza tohoto materiálu prozradila, že se jedná o 40 tisíc let starou březovou pryskyřici. Později se podařilo najít zbytky takovéto černé hmoty na celé řadě kamenných nástrojů neandertálského původu. Nejstarší nálezy v Campitello ze střední Itálie jsou staré přes 200 tisíc let.

Starověké používání pryskyřice je doloženo například u soch v babylonských chrámech, které mají do očních důlků vlepeny slonovinové bulvy.

V mladší době kamenné a raném starověku se objevilo první lepidlo na živočišné bázi – klih. Klih je přírodní polymer obsahující savčí nebo rybí kolageny, jež jsou hlavními složkami kůže, pojiv, chrupavek a kostí (lepivou složkou jsou tedy bílkoviny v koloidním roztoku). Dosud nejstarší nálezy dokladující použití klihu byly datovány do období před 8 310-8 110 lety a pocházejí z izraelské jeskyně Nahal Hemar z blízkosti Mrtvého moře. Do tohoto období rovněž spadá první použití malty v oblasti pakistánského města Mehrgarh (Balúčistán) při stavbách domů ze sušených cihel.

Starověké používání pryskyřice je doloženo například u soch v babylonských chrámech, které mají do očních důlků vlepeny slonovinové bulvy. Klih běžně používali starověcí Egypťané před 4 000 lety jako pojivo pro malbu obrazů, při stavbách budov i výrobě dřevěného nábytku.

Ve starověku se později postupně začala používat i další lepidla živočišného původu, jako jsou vaječné bílky, mléko, sýry a včelí vosk. Vaječné bílky fungovaly skvěle pro lepení plátkového zlata při zdobení rukopisů. Včelí vosk využívali Římani k vyplňování prasklin mezi prkny lodí.

Průmyslová revoluce přinesla syntetická lepidla

První továrny na lepidla se objevily v Holandsku, Anglii, Německu, Švýcarsku a Spojených státech ještě před příchodem průmyslové revoluce. Zaměřovaly se na výrobu lepidel ze zbytků zvířat při velkoprodukci masa. Do poloviny roku 1800 se objevila první lepidla na bázi kaučuku a s rozvojem moderní chemie ve třicátých letech minulého století začal prudký vývoj plně syntetických lepidel z polychlórpropenu, polyvinylacetátu, močovinoformaldehydu atd.

Důležitým milníkem moderních dějin lepidel se stal rok 1958, kdy Harry Coover Jr. uvedl na trh svou první verzi vteřinového lepidla vyrobeného pomocí kyanoakrylátu.

V dnešní době se používají ve velké většině lepidla syntetická a kaučuková patřící do více než třiceti chemických rodin polymerů a pryskyřic – mezi nejznámější patří termoplastické polymery, jako jsou akryláty, vinylové emulze, ethylenvinylacetát (EVA), modifikované kaučuky (pomocí pryskyřic a lepidel), polyamidy, polyuretany, termosetické pryskyřice jako jsou močovinoformaldehydová nebo resorcinolformaldehydová lepidla atd.

Inspirace v přírodě

Lepidla rostlinného a živočišného původu se v posledních desetiletích používala méně a méně. Dnes je potřeba vyvinout lepidla nového typu – netoxická, biokompatibilní (tedy taková, které budou mít dobrou snášenlivost v kontaktu s živými tkáněmi), nealergenní, s časově omezeným účinkem nebo bez negativního dopadu na životní prostředí.

Nezbývá, než se znovu obrátit na přírodu jako klíčový zdroj pro inspiraci. Abychom její „nabídku“ mohli využít, musíme ale nejdřív lépe pochopit mechanismy bioadheze (přilnavosti). O těch se totiž toho ví až překvapivě málo.

Ukázka síly jednoho z přírodníéch lepidel. Foto Ingo Grunwald.

Ukázka síly jednoho z přírodních lepidel. Foto Ingo Grunwald.

V průběhu milionů let měla příroda v procesu evoluce dostatek času na vývoj lepidel a struktur, které fungují i za nejtvrdších a nejneobvyklejších podmínek. Na Zemi žije mnoho nejrůznějších organismů, které dosahují zdánlivě nemožných výkonů; hmyz dokáže chodit vzhůru nohama po vlhkém, prašném nebo pohybujícím se povrchu. Červ zachytí kořist lepkavými vlákny, která vystřeluje na velkou vzdálenost. Mlok se ubrání útočícímu hadu tím, že mu bleskově slepí tlamu. Jak to ale dělají? Jak to funguje?

Na tyto otázky se teď zaměřili vědci z různých oborů z celého světa. Nově vzniklá evropská síť odborníků, financovaná z mezinárodního programu COST (Akce CA15216), podrobí vědeckému zkoumání široké spektrum přírodních adhezivních látek. Cílem je vyvinout nová biolepidla na přírodní bázi (např. adheziva pro lékařství, průmyslové tmely atd.), která budou biokompatibilní. V průběhu příštích čtyř let se budeme snažit pochopit princip fungování rozmanitých bioadheziv, najít postupy pro jejich syntetickou produkci a připravit tyto přírodou inspirované produkty pro průmyslovou výrobu.

Lepidlo produkované kůží amerického mloka. Foto Janek von Byern.

Lepidlo produkované kůží amerického mloka. Foto Janek von Byern.

Čeští vědci pracují na „hedvábném“ lepidle

Mezi účastníky mezinárodního programu patří i vědci z Entomologického ústavu Biologického centra AV ČR a Přírodovědecké fakulty Jihočeské univerzity (autor tohoto článku a jeho kolegové profesor František Sehnal a dr. Lucie Kučerová, pozn. red.), kteří se dlouhodobě zabývají výzkumem hmyzího hedvábí.

Lepidlo obsažené v hedvábí housenek bource morušového je známo po celá staletí, již od starověkých počátků výroby hedvábí. Podle legendy čínské císařovně a manželce Žlutého císaře Leizu (také známá jako Xi Lingshi) spadl do šálku při pití čaje bourčí kokon. Jemná vlákna kokonu se od sebe začala oddělovat a vytvořila jí na prstu jemnou a krásnou nit. Po této příhodě začala Leizu bource pro hedvábí pěstovat. I dnes se lepidlo při zpracování kokonů odstraňuje rozpouštěním v horké vodě, aby se rozvolnila jednotlivá hedvábná vlákna.

Kokony bource morušového. Foto: CC BY-SA 3.0

Kokony bource morušového. Foto: CC BY-SA 3.0

Zjistili jsme, že bourčí hedvábí obsahuje dokonce několik typů lepidel, takzvaných sericinů, které pokrývají povrch vypřádaného vlákna a slouží housence k různým účelům. Na počátku konstrukce kokonů, kdy se vzrostlá housenka chystá zapřádat, si nejprve vytváří pevnou ukotvující síť. Tato síť je spojena nejpevnějším typem sericinů (lepidel), jež zajišťuje přichycení budoucího kokonu k větvi moruše. Při výzkumu tohoto lepidla jsme zjistili jeho nápadnou podobnost s lepidlem mořské škeble slávky jedlé. Podobně jako předoucí housenka využívá tato škeble svůj protein k pevnému přichycení ke skále, na které potom žije. Je až s podivem, že podobné hmyzí produkty dosud nikdo nestudoval.

Škeble produkuje lepivá (byssová) vlákna, jimiž se pevně přichytí ke skále, na níž žije. na snímku je škeble přichycená na teflonu. Foto Ingo Grunwald.

Škeble produkuje lepivá (byssová) vlákna, jimiž se pevně přichytí ke skále, na níž žije. na snímku je škeble přichycená na teflonu. Foto Ingo Grunwald.

Hedvábná vlákna pokrytá sericiny produkují i housenky spousty jiných motýlích druhů a zajímavá lepidla vyrábí i řada dalších hmyzích skupin, včetně larev chrostíků nebo dvoukřídlého hmyzu. Larvy chrostíků si lepí pod vodou pozoruhodné schránky, jak je známe z knih Ferdy Mravence od Ondřeje Sekory. Dokonce i známá muška octomilka vylučuje na konci larválního období ze své slinné žlázy silné lepidlo, kterým si zajistí pevné připojení k podkladu, například ke sklu.

První praktické kroky

Odhaduje se, že používáním současných kosmetických produktů ženy vstřebají v průměru až 2,5 kilogramu toxických chemikálií ročně. Není divu, že existuje snaha se používání těchto látek vyhnout a najít za ně náhradu. Produkty hmyzích a pavoučích žláz jsou zdrojem řady pozoruhodných biokompatibilních, nealergenních produktů s vynikajícími přilnavými či mechanickými vlastnostmi. Některé tyto produkty již nacházejí uplatnění např. v kosmetice i zdravotnictví, další na využití čekají.

U kosmetických výrobků a výrobků pro osobní péči (od kojeneckého zboží, výrobků do koupele, rtěnek, make-upů, parfémů, barevných a bezbarvých vlasových přípravků až po opalovací přípravky) se stále více používá včelí vosk. Z včelí mateří kašičky se vyrábějí regenerační krémy známé obsahem vitamiesnů a důležitých minerálních látek.

I prášek z hedvábí se již používá jako ideální bílkovinný doplněk pro vysoce kvalitní kosmetiku (šampóny, krémy, rtěnky). Zatímco japonský kosmetický gigant Kanebo Cosmetics nebo americké firmy Silk Naturals a TATCHA používají extrakty z hedvábí bource morušového, německá firma AMSilk pro tyto účely komerčně vyrábí již dvacet různých typů pavoučího hedvábí (pomocí bakterie E. coli), jež prodává ve formě dispergovaných mikročástic vhodných pro korekci vrásek nebo ve formě gelů, které dokážou vytvořit na kůži prodyšný ochranný povlak.

Housenky martináče cecropia a martináče dubového. Motýli čeledi martináčovitých jsou zdrojem „divokého hedvábí“ Jejich sericinová lepidla jsou zcela jiná než lepidla bource. Foto archiv autora.

Housenky martináče dubového. Motýli čeledi martináčovitých jsou zdrojem „divokého hedvábí“. Jejich sericinová lepidla jsou zcela jiná než lepidla bource. Foto archiv autora.

Snovací žlázy a hedvábí martináče dubového. Foto a schéma archiv autora.

Snovací žlázy a hedvábí martináče dubového. PSG je řez zadní částí a MSG střední částí snovací žlázy. Barvení řezu bylo provedeno pomocí Malloryho metody, lepidlo se vytváří ve střední části žlázy a je viditelné jako modrý proužek kolem růžově zbarveného  vláknitého fibroinu v centru žlázy. Foto a schéma archiv autora.

Lepivé sericiny z bourčího hedvábí slouží ve tkáňových kulturách jako náhražka fetálního séra i coby účinná kryoprotektivní složka média pro zamrazování některých typů buněk i savčích embryí. Komerčně je dodávají například japonská firma WAKO nebo obří americká firma Sigma-Aldrich.

Další uplatnění adhezivních látek a hedvábí v medicíně je zatím ve stádiu testování. Použití pavučin v lidovém léčitelství se traduje nejméně dva tisíce let, pavučiny pomáhaly například při hojení ran nebo v boji proti infekcím a krvácení. Pevnost a biokompatibilita pavoučího hedvábí jej předurčují jako ideální substrát pro regeneraci kůže a hojení ran, viz např. článek Dr. Hanny Wendt a kol. z roku 2011 v časopisu PLOS ONE (doi:10.1371/journal.pone.0021833).

Zajímavou aplikací je i speciální hemostatická neboli krvácení zastavující jehla využívající zmíněný adhezivní produkt z lepidla škeble. Tuto jehlu vyvíjejí vědci z korejské univerzity Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), viz letošní článek Dr. M. Shina a kol. v časopise Nature Materials (doi:10.1038/nmat4758). Tato jehla má u pacientů (například hemofiliků) zabránit, aby po aplikaci injekční stříkačky začali krvácet.

Věříme, že další objevy a další druhy lepidel i nových aplikací v kosmetice a medicíně budou rychle následovat.

Titulní foto: Housenka bource morušového. Autor: Michal Žurovec

K dalšímu čtení:

Žurovec M., Yonemura N., Kludkiewicz B., Sehnal F., Kodrík D., Marques Cota Vieira L., Kučerová L., Strnad H., Koník P., Sehadová H. (2016) Sericin Composition in the Silk of Antheraea yamamai. Biomacromolecules DOI: 10.1021/acs.biomac.6b00189

Žurovec M., Kludkiewicz B., Fedič R., Sulitkova J., Mach V., Kučerová L., Sehnal F. (2013) Functional conservation and structural diversification of silk sericins in two moth species. Biomacromolecules 14: 1859-1866.

Kludkiewicz B., Takasu Y., Fedič R., Tamura T., Sehnal F., Žurovec M.   (2009) Structure and expression of the silk adhesive protein Ser2 in Bombyx mori. Insect Biochem Mol Biol 39: 938-946.

Print Friendly

Tagy

O autorovi

Michal Žurovec

Michal Žurovec

Prof. RNDr. Michal Žurovec, CSc. (*1962) V letech 1980 až 1985 studoval Univerzitu J. E. Purkyně v Brně (dnes Masarykova universita), Přírodovědecká fakulta, katedra molekulární biologie V letech 1986-1991 absolvoval interní vědeckou aspiranturu v Entomologickém ústavu (tehdy) ČSAV v Českých Budějovicích V roce 1991 obhájil kandidátskou dizertační práci Izolace a charakterizace genů kódujících hedvábí u zavíječe voskového (Galleria mellonella L.), získal titul CSc. Od roku 1991 dodnes působí jako vědecký pracovník v Entomologickém ústavu AV ČR a Biologického centra AV ČR (vyjma sedmi let zahraničních stáží v USA). Přednáší též na Přírodovědecké fakultě Jihočeské university. Letos byl jmenován profesorem pro obor Molekulární a buněčná biologie a genetika. V posledních letech studuje rovněž regulaci vývoje mušky octomilky (Drosophila melanogaster) a použití umělých programovatelných nukleáz pro mutagenezi genů u octomilek a bource morušového.

  • Stanislav Rádl

    Zajímavý článek, i když část týkající se syntetických lepidel je vzhledem k zaměření článku poněkud zavádějící (chybí řada průmyslově významných typů lepidel). Autorka uvádí zajímavé příklady přírodních produktů použitelných k významným bioaplikacím. Z některých částí poněkud nabývám dojmu, že by měly být všechny takové přírodní produkty netoxické a biokompatibilní pro medicinské účely, což jistě pravdou není.
    Nu a poslední poznámka se týká věty „Odhaduje se, že používáním současných kosmetických produktů ženy
    vstřebají v průměru až 2,5 kilogramu toxických chemikálií ročně.“ – docela bych uvítal seznam těchto v kosmetice používaných „toxických chemikálií“ spolu s odkazem na zdroj této informace.