Tajemství pavoučího vlákna

Hedvábné vlákno produkované pavouky je podivuhodný materiál, kte rý se vyznačuje mimořádnou pevností. Poměr jeho váhy k pevnosti je čtyřikrát lepší, než je tomu u oceli. Bylo vypočteno, že vlákno silné jako tužka by bylo schopno zastavit letící Boeing 747. Pavoučí hedvábná vlákna jsou pro pavouky důležitým pracovním materiálem, z nějž vyrábějí své nástroje. Stavějí z něj sítě, do nichž loví kořist, omotávají jím ulovený hmyz, používají ho jako záchranné lano při skocích a s jeho pomocí dokážou létat a překonávat i veliké vzdálenosti. Vlákna označená pohlavním feromonem vlečou za sebou pro přilákání partnera. Sameček pomocí vláken přemísťuje spermie a oplodňuje samičku – utká síťku, do které „vymáčkne“ z otvoru na bříšku kapku spermií a do ní namočí své kopulační orgány. Samička z vláken spřádá kokon, v němž přechovává vajíčka a často i čerstvě vylíhlá mláďata, staví z něj úkryt nebo s ním vystýlá podzemní chodby. Pavouci žijící pod vodou z něj dokážou postavit i „keson“ naplněný vzduchem. Z jakého báječného materiálu jsou vlákna vyrobena a jakým způsobem je pavouk vyrábí? Tuto otázku si kladl člověk od pradávna, ale teprve poznatky moderní vědy nám poodhalily roušku tajemství, jímž byla tvorba pavoučího vlákna zahalena.

Vlákna jsou tvořena pouze organickými složkami, a to několika druhy proteinů, z nichž více než 50 % tvoří spidroiny (dříve fibroiny). ¹⁾ Skenovacím elektronovým mikroskopem lze pozorovat pravidelné uspořádání molekul do složité trojrozměrné struktury, která vláknu zaručuje vysokou pevnost v tahu, vynikající ohebnost a výjimečnou protažitelnost, větší, než kdyby vlákno bylo z gumy. Průměrná síla pavoučího vlákna je 0,15 µm, ale některá mají v průměru jen 0,02 µm. Není divu, že celá síť pavouka křižáka Nephila clavipes váží pouhých 694 mikrogramů! Proteinové stavební jednotky vlákna se tvoří ve snovacích žlázách v dutině zadečku. U pavouků bylo nalezeno celkem sedm rozdílných typů těchto žláz, ale ani u jednoho druhu nejsou zastoupeny všechny.

Trubičkovité vývody žláz ústí na konci pavoukova zadečku ve snovacích bradavkách. Každá snovací bradavka je tvořena větším množstvím velmi malých otvorů, resp. trubiček, jimiž pavouk vytlačuje tekutinu, vodný roztok směsi monomerů bílkovin, které okamžitě po protlačení tryskou mění svou molekulární strukturu a vytvářejí tuhé a pevné vlákno. To je ve skutečnosti tvořeno pramenem tenčích vláken, podobá se tedy spíše splétanému lanu. Právě přeměna tekutiny na vlákno a rychlost, s níž k tomu dochází, je fascinující. Když pozorujeme pavouka, jak se při útěku rychle spouští na nově vytvořeném vlákně, vypadá to, jako by padal. Ve skutečnosti slaňuje po záchranném laně, které ještě před několika okamžiky neexistovalo, přesněji existovalo v tekuté formě! Přidržuje se zadníma nohama a někde v prostoru mezi nimi a snovací bradavkou se tekutina neuvěřitelně rychle mění v pevnou hmotu. Jaké chemické a fyzikální reakce zde probíhají? Může je pavouk nějak ovlivnit? Už jen skutečnost, že pavouk využívá střídavě různé typy snovacích žláz a vytváří různé typy vláken, je úžasná. Mechanizmus přeměny kapalného produktu snovací žlázy na pevné vlákno zůstává dosud pavoučím tajemstvím.

Řekli jsme již, že základem pavoučího vlákna je protein spidroin a ten je tvořen, jako ostatně všechny proteiny, z aminokyselin pospojovaných peptidickou vazbou. Ta vzniká tak, že se karboxylová skupina jedné aminokyseliny naváže na aminovou skupinu druhé aminokyseliny, jejíž karboxylová skupina se naváže na aminoskupinu další aminokyseliny a tak dále. Vznikají dlouhé polymery aminokyselin, které jsou základem všech proteinů. Základních aminokyselin je dvacet a jejich střídáním lze vytvořit neuvěřitelné množství kombinací. Proto existuje tak obrovské množství proteinů, ať už stavebních či funkčních (enzymů), a proto má každý živočich svoje specifické proteiny. Pořadí aminokyselin v peptidických řetězcích (sekvence aminokyselin) je určováno genetickým kódem uloženým v molekule DNA. Aminokyselinové složení spidroinu u různých druhů pavouků je také odlišné, ale u všech jsou hlavními aminokyselinami alanin a glycin, které vytvářejí opakující se sekvence, v nichž je za sebou spojeno vždy 8 až 10 molekul alaninu a 24 až 35 molekul glycinu. Když se spidroin přeměňuje na vlákno, polyalaninové bloky vytvářejí krystalickou strukturu, která odpovídá za tuhost, pevnost a houževnatost vzniklého vlákna.

Pavoučí vlákno je kompozitní materiál složený ze tří odlišných proteinů. Vedle spidroinu jsou to kolagen, a zejména elastin, který vytváří amorfní (nekrystalickou) základní hmotu s velkou roztažností. Díky němu se síť protáhne, když do ní narazí hmyz, a absor-buje velkou kinetickou energii letící kořisti. U různých skupin pavouků existuje hned několik řešení této situace. Například síť křižáků (viz Vesmír 72, 318, 1993/6) mění kinetickou energii v tepelnou (teplo je rozvedeno po radiálních vláknech), která není obnovitelná ve formě zpětného nárazu. Hmyz nemůže být katapultován zpět. Do amorfní hmoty elastinu jsou zality krystalické proteiny – spidroin a kolagen – které vlákno zpevňují. Výsledný kompozit je pevný, odolný a elastický. ²⁾

Pavoučí vlákno je dokonale recyklovatelné (viz též Vesmír 80, 282, 2001/5). Jestliže se pavučina poškodí natolik, že přestane plnit svou funkci, pavouk ji sežere a pomocí trávicích enzymů přemění zase v tekutinu, z níž utká novou pavučinu. Některé druhy pavouků dokonce stavějí síť každý den a na její výrobu používají materiál z recyklované sítě včerejší.

Pavoučí vlákno má vynikající mechanické vlastnosti a existuje řada ekonomických i ekologických důvodů pro to, abychom našli způsob jak něco podobného vytvořit sami. Vždyť průmyslová výroba umělých vláken vyžaduje rozpouštění monomerů v organických rozpouštědlech, jejichž srážení v minerálních kyselinách zatěžuje životní prostředí a vyžaduje značné množství energie. Pavouk vyrábí své vlákno ekologicky a ekonomicky. Není proto divu, že se člověk o tajemství pavoučího vlákna zajímá a chtěl by jeho zázračné vlastnosti využít (viz Vesmír 75, 176, 1996/3; 75, 536, 1996/9).

Domorodí obyvatelé Polynésie používali velmi pevná vlákna pavouka rodu Nephila jako vlasec, novoguinejští domorodci vyráběli z hustých pavučin jakési klobouky proti dešti. Na začátku 18. století se Francouz François Xaver Bon de Saint-Hilaire (1678–1761) pokoušel vyrábět z pavoučích vláken punčochy a rukavice. O pár desítek let později se misionář Piérre Camboué na Madagaskaru snažil získat dlouhé a souvislé vlákno tak, že pavouky rodu Nephila umístil do klícek a za zadečky jim připevňoval cívky, jejichž pomalým otáčením se pavoučí vlákno navíjelo. Pavouk však občas „přidal“ k vláknu kapku „lepidla“, které zlepšuje lapací schopnosti sítě, a tím byl smotek na cívce slepen tak dokonale, že vlákno nešlo odvinout (Vesmír 78, 377, 1999/7).

Chovat k získávání vlákna pavouky je neekonomické, ale moderní metody genového inženýrství umožňují přenést gen kódující proteiny pavoučího vlákna do jiného organizmu, s jehož chovem či pěstováním nebudou takové problémy. Proto byl nedávno přenesen „pavoučí gen“ do genomu kozy, která produkuje proteiny pavoučího vlákna v mléce. Z mléka transgenních koz se připravuje umělé pavoučí vlákno v laboratořích kanadské firmy Nexia Biotechnologies a v oddělení Materials Science Team americké armády pod obchodním označením BioSteel®. ³⁾ Není sice zdaleka tak pevné jako pavoučí přírodní vlákno, ale pro mnoho aplikací je jeho pevnost dostačující. Jako další možné transgenní organizmy pro přípravu proteinů pavoučího vlákna se testují tabák a brambory. ⁴⁾ Připravovat rekombinantní proteiny pavoučího vlákna mimo pavoučí organizmus tedy umíme, ale tajemství „špičkové pavoučí technologie“ spřádání jsme dosud nerozluštili.