Białka jedwabiu dzięki swej elastyczności, biokompatybilności, biodegradowalności i wytrzymałości mechanicznej stały się doskonałą podstawą do wytworzenia biomateriałów stosowanych w różnych dziecinach medycyny.

Dlaczego akurat jedwab pajęczy? A no dlatego, że pająki potrafią wytwarzać jedwab elastyczniejszy od nylonu i mocniejszy od stali, sieci pajęcze potrafią nie tylko zatrzymać ofiarę w locie, ale także potrafią ją utrzymać. Szacuje się, że pajęczyna o grubości ołówka potrafiłaby zatrzymać odrzutowiec! W naturze możemy spotkać aż siedem różnych rodzajów jedwabiu, wszystkie zbudowane z białka spidroiny. Każdy typ różni się właściwościami mechanicznymi i funkcją. Największą wytrzymałość mechaniczną posiada jedwab wiodący, który potrafi wytrzymać naprężenie do 4GPa. Największą sprężystością dysponuje jedwab łowny.

Syntetyczna nić pajęcza, źródło: sciencedaily.com

Zanim dojdzie do przerwania materiału największą energię pochłania jedwab taśmowy, sięga ona 600000* 〖10〗^4 J/kg . Dodatkowo nici pajęcze posiadają inne bardzo przydatne zalety, a mianowicie produkt końcowy nie rozpuszcza się w wodzie, a z czasem ulega enzymatycznej biodegradacji – z punktu medycyny jest to bardzo ważna właściwość .
Przykładem ich zastosowania są m.in. nietoksyczne nici chirurgiczne, które byłyby odporne na wysokie ciśnienie i uderzenia, z jednoczesnym uleganiem degradacji w czasie. Możliwe jest również wykorzystanie go do produkcji rozciągliwych bandaży i opatrunków, a nawet do konstrukcji implantów.

Ze względu na swe właściwości mógłby być wykorzystywany również w innych dziedzinach, np. do stworzenia ultralekkiego a zarazem bardzo wytrzymałego włókna, które posłużyłoby do produkcji spadochronów, kamizelek kuloodpornych, a nawet… części samolotów. Te i inne potencjalne zastosowania jedwabiu pajęczego są obecnie przedmiotem intensywnych badań.

źródło: inhabitat.com

Przez długi czas problemem było opracowanie metod pozwalających uzyskać jedwab w dużych ilościach, gdyż zbieranie jedwabiu z nici było procesem czasochłonnym, a tym samym mało opłacalnym, dodatkowo sieci zawierały kilka rodzajów jedwabiu, kłopotliwym aspektem był także kanibalizm pająków. W celu uzyskania białek jedwabiu na dużą skalę zaczęto wykorzystywać strategie biotechnologiczne. Dziś używane są dwie metody: pierwsza stosuje cDNA naturalnej spidroiny, druga natomiast syntetyczne geny oparte o naturalne sekwencje DNA spidroiny .

O co chodzi w pierwszej metodzie? W dużym uproszczeniu po prostu geny kodujące naturalne białka jedwabiu, są wprowadzane (przy pomocy np. wektorów) do genomu innego organizmu, dzięki czemu wprowadzany gen ulega ekspresji w „nowym organizmie”, czyli informacja w genie zostaje odczytana i przepisana na jego produkt, którym jest nasze pożądane białko. W próbach otrzymania białek jedwabiu przy pomocy naturalnego cDNA wykorzystywano m.in. bakterie, drożdże, owady, komórki nerwowe chomika, transgeniczne rośliny i gruczoły mleczne transgenicznej kozy… tak dobrze Ci się wydaje dzięki biotechnologii jest możliwe, aby to nawet kozy produkowały pajęczy jedwab!

Jednak ze względu na wysokie koszty przy małej wydajności produkcji spidroiny alternatywą pozyskania rekombinowanego białka stała się metoda stosująca sztuczne geny. Technologia ta opiera się na połączeniu sztucznie syntetyzowanego DNA spidroiny z DNA tytoniu, rzodkiewki, jedwabnika, czy myszy. Poznanie sekwencji genów, które kodują białkowy budulec jedwabnych nici sprawiło, że otworzyły się drzwi do konstruowania syntetycznych genów, kodujących tzw. inżynierowany pajęczy jedwab (IPJ).

źródło: curiosity.pl

Jedwab pajęczy jako biomateriał

Dzięki inżynierii genetycznej umożliwiającej otrzymywanie na szerszą skalę białek jedwabiu możliwe stało się ich zastosowanie do produkcji biomateriałów. Biomateriały wytworzone na bazie jedwabiu pajęczego są szeroko stosowane w medycynie. Zawdzięczają to swoim niezwykłym cechom takim jak:

• elastyczność
• wytrzymałość mechaniczna
• biodegradowalność
• biokompatybilność

Pajęcze białka jedwabiu mogą stać się nową obiecującą klasą biopolimerów służącą jako system do magazynowania i przenoszenia leków. Wiele polimerów, wykorzystywanych jako transportery leków, ze względu na niską biodegradację wywołuje alergię lub stany zapalne. Natomiast białka pajęcze cieszą się wysoką biozgodnością i biodegradowalnością wykazano także, że materiały wytworzone z białek pajęczych są dobrze tolerowane przez komórki.

A oto kilka przykładów dotychczasowych osiągnięć w dziedzinie pozyskiwania biomateriałów opartych na inżynieryjnym pajęczym jedwabiu:

Biomateriały wytwarzane z jedwabiu pajęczego, źródło: [7]

Hydrożele

Hydrożelami nazywamy sieć polimerów zbudowanych z białek jedwabiu, które nie rozpuszczając się w wodzie chłoną ją. Obecnie źródłem hydrożeli są naturalnie pozyskane białka jedwabiu z kokonów jedwabników. Wykorzystywane są jako rusztowanie do proliferacji i wzrostu komórek kostnych i tkanki łącznej.

Mikrokapsułki

Kolejnym przykładem zastosowania pajęczych białek jedwabiu są mikrokapsułki. Wykorzystywane są w medycynie do przenoszenia w organizmie i ochrony aktywnych substancji, takich jak leki. Biomateriały te nie wywołują alergii. Poza zastosowaniem farmaceutycznym, mikrokapsułki mogą być również wykorzystywane w kosmetologii oraz do przenoszenia znaczników fluorescencyjnych.

Filmy

Jedwabne filmy odporne są na działanie czynników degradujących, takich jak, mocznik i dorównuje pod względem właściwości naturalnemu białku pajęczemu. Jedwabny film wykorzystywany jest jako podłoże do hodowania komórek tkanki łącznej, które pobudza do wzrostu i wytwarzania substancji międzykomórkowych. Ten efekt stosuje się do zaprojektowania opatrunków do szybkiego gojenia się ran. Badania potwierdziły, prędsze gojenie ran u szczurów o siedem dni niż w porównaniu do tradycyjnych opatrunków, z jednoczesnym ograniczeniem reakcji zapalnej.

Rusztowania

W obecności chlorku sodu w roztworze białek jedwabiu dochodzi do powstania porowatej struktury. Otrzymana „konstrukcja” stosowana jest jako rusztowanie do wzrostu komórek oraz do tworzenia połączeń międzykomórkowych i w efekcie do powstania tkanek. Rusztowania stosowane są w inżynierii tkankowej do odbudowy kości, naczyń krwionośnych, wiązadeł. Naturalny jedwab pajęczy oraz pochodzący od jedwabników jest doskonałym podparciem do wzrostu chondrocytów, a tym samym do rozrostu tkanki chrzęstnej.

Obecnie jedwab pajęczy wykorzystywany jest do tworzenia hydrożeli, mikrokapsułek, rusztowań, włókien czy filmów. Każda z tych substancji może mieć szerokie zastosowanie w medycynie. Rusztowania oraz hydrożele są doskonałą podstawą do wzrostu i proliferacji komórek, znalazły więc zastosowanie do odbudowy tkanki kostnej oraz chrzęstnej. Z włókien tworzone są nici chirurgiczne. Filmy z powodzeniem używane są do tworzenia opatrunków, gdyż pobudzają do wzrostu i wytwarzania substancji międzykomórkowych. Natomiast mikrokapsułki są nośnikami leków, czy hormonów. Jedwab pajęczy posiada ogromne możliwości szerszego zastosowania w medycynie, zachęca więc do przeprowadzania dalszych badań.

Bibliografia:

• Dams-Kozłowska H., Florczak A., Kaźmierska K., Mackiewicz A., Piekoś K., Inżynierowany jedwab pajęczy: inteligentny biomateriał przyszłości. Część I, Postepy Hig Med Dosw, 2011
• Eisoldt L., Smith A., Scheibel T., Decoding the secrets of spider silk, Universität Bayreuth, 2011,
  Jastrzębska K., Bioinżynierowane białka jedwabiu pajęczego jako biokompatybilne nośniki leków, Maszynopis pracy doktorskiej, promotor: prof. dr hab. A. Mackiewicz, Poznań: Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego, 2015
• Bargel H., Elsner M., Herold H., Müller-Herrmann S., Scheibel T., Enhanced cellular uptake of engineered spider silk particle, Biomater. Sci., 2015
• Florczak A., Biodegradowalne jedwabne bionanokompozyty (SBC) do terapii celowanej i diagnostyki, Maszynopis pracy doktorskiej, promotor: prof. dr hab. A. Mackiewicz, Poznań: Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego, 2014
• Bausch A. R., Hermanson K. D., Huemmerich D., Scheibel T., Engineered Microcapsules Fabricated from Reconstituted Spider Silk, Advanced Materials, 2007, Volume 19, 1810-1815
• Kaplan D. L., Vepari C., Silk as a Biomaterial, Prog Polym Sci., 2007
  991-1007
• Dams-Kozłowska H., Florczak A., Kaźmierska K., Mackiewicz A., Piekoś K., Inżynierowany jedwab pajęczy: inteligentny biomateriał przyszłości. Część II, Postepy Hig Med Dosw, 2011 [7]