Pētniecība Latvijas Organiskās sintēzes institūta zinātnieki nupat saņēmuši ES fondu atbalstu 561 tūkst. eiro apjomā, lai turpinātu pētniecību mākslīgā zirnekļu zīda iegūšanai

Zirnekļu zīds ir viens no augstvērtīgākajiem un izturīgākajiem dabas materiāliem. Tā džemperis varētu būt pat ložu necauršaujams, tai pat laikā ļoti viegls. Zirnekļu zīda augstvērtīgo īpašību dēļ tā pielietojuma amplitūda būtu no biomedicīnas līdz būvniecībai, taču zīda daudzums, ko tie saražo, ir gaužām niecīgs. Miljons zirnekļu četru gadu laikā rada tik daudz zīda, lai precīzi pietiktu vienam džemperim.

Turklāt šos dzīvniekus nevar audzēt krātiņos un izslaukt zīdu, kad rodas tāda vajadzība. Tie ir agresīvi un kanibāliski plēsēji, kas, ievietoti kopējā kastē, cits citu apēdīs. Tomēr zirnekļu zīda ieguve aizvien šķiet vilinoša, tāpēc atliek meklēt alternatīvu.

Pusceļš

Ir pagājis nedaudz vairāk nekā gads, kopš Latvijas Organiskās sintēzes institūta (LOSI) pētnieki saņēma Latvijas Zinātņu akadēmijas atzinību par nozīmīgākajiem sasniegumiem zinātnē 2017. gadā. Tika izpētīts zirnekļu tīkla veidošanās molekulārais mehānisms un novērtēta mākslīgā zirnekļu zīda iegūšanas procesa līdzība dabiskajam. Darbs ilga aptuveni piecus gadus un notika sadarbībā ar Karolinska Institūtu Zviedrijā un Analītisko zinātņu institūtu Francijā. Tiesa, tas noslēdzās ar nelielu vilšanos komplektā ar skaidru vīziju, kas darāms tālāk.

«Tas bija sasniegums teorētiskajā zinātnē. Parādījām, kā mainās zirnekļu zīda proteīnu struktūra, pārejot no šķidra stāvokļa uz cietu. Tāpat noskaidrojām, kā šie mākslīgā zirnekļa zīda proteīni var tikt pārvērsti par šķiedrām pēc līdzīga mehānisma, kāds ir dabiskajam zirnekļu zīdam. Uz šo atklājumu pamata zviedru kolēģi izveidoja tehnoloģisku metodi, lai iegūtu mākslīgus zirnekļu zīda pavedienus. Taču pētījuma jautājumi bija: vai modificētos proteīnus var pārvērst par šķiedrām ar tādām pat mehāniskajām īpašībām kā dabiskajam zirnekļu zīdam? Vai mākslīgais zirnekļu zīda proteīns atdarina tās pašas strukturālās pārvērtības, kas notiek ar dabiskajiem zirnekļa zīda proteīniem? Atdarina, bet ne pilnībā. Nevar teikt, ka iegūtais materiāls ir līdzvērtīgs dabiskajam, jo tas uzrāda augstvērtīgas mehāniskās īpašības tikai, kamēr ir slapjš. Kad šķiedras, ko ieguva zviedru kolēģi, izžāvē, augstvērtīgās mehāniskās īpašības zūd. Paliek vien 20% no tās izturības, kas ir dabiskajam zirnekļu zīdam. Tas nozīmē, ka zūd arī šo šķiedru vairāki perspektīvie pielietojumi. Strukturālās pārvērtības ir daudz komplicētākas, nekā sākotnēji likās,» klāsta LOSI vadošais pētnieks, konkrētā pētījuma projekta vadītājs Kristaps Jaudzems.

Uzņem apgriezienus

Tagad mērķis ir pilnveidot tehnoloģisko metodi, lai iegūtu mākslīgā zirnekļa zīda šķiedras, kurām būtu augstvērtīgas mehāniskās īpašības neatkarīgi no tā, vai šis materiāls ir slapjš vai sauss, un tas pavērtu daudz plašāku pielietojumu šim materiālam – ne tikai medicīnā, bet arī tekstilizstrādājumu ražošanā, būvniecībā u.c.

«Mums ir vairākas idejas, kā tikt līdz kādiem 50%, nedaudz modificējot tehnoloģisko metodi, ar ko šīs šķiedras tiek iegūtas. Viens parametrs, kas nozīmīgi ietekmē mehāniskās īpašības, ir šķiedru diametrs. Šobrīd iegūto šķiedru diametrs ir apmēram četras reizes lielāks nekā dabiskajam zirnekļu zīdam. Pielāgojot tehnoloģisko metodi, lai iegūtu šķiedras ar mazāku diametru, varētu būt jau viens solis tuvāk augstvērtīgākām mehāniskām īpašībām, lai gan tas nerisina problēmu, ka šīs augstvērtīgās īpašības zūd, materiālu izžāvējot. Un šajā sakarā izmantosim nupat iegūto ES fondu finansējumu pētniecībai, lai attīstītu mākslīgo zirnekļa zīda šķiedru, kam nevajadzētu vairs zaudēt īpašības, kad tiek izžāvēta,» apņēmības pilns ir K. Jaudzems. Un tā viņa kā vadītāja hobija līmenī un viena doktoranta brīvā laika projektiņš pārtaps par daudz nopietnāku un intensīvāku pētījumu. Tas jāveic trīs gadu laikā, sākot no šī gada jūnija, un tajā būs nodarbināti pieci cilvēki.

Mārketinga triks

Zviedri mērķē augstu, domājot par materiāla pielietojumu reģeneratīvajā medicīnā. Proti, ja, piemēram, avārijā zaudēts vai deformēts kāds orgāns, tad ar zirnekļu zīda un cilmes šūnu palīdzību to būtu iespējams atjaunot. «Esam pārsprieduši, ka tās varētu būt muguras smadzenes, kas pašas neatjaunojas. Ja tās cieš, cilvēks var kļūt par invalīdu uz mūžu,» min K. Jaudzems.

Lai arī mūsu zinātnieku pētījumi ir unikāli, arī citur pasaulē ir interese par zirnekļu zīdu. Tie paši zviedru kolēģi projektā sadarbojas ar uzņēmumu Spiber Technologies. Tas tirgo produktus, kas balstīti uz zirnekļu zīda proteīniem. Konkurenti ir, piemēram, Japānā, kur arī ir sava kompānija ar tādu pat nosaukumu – Spiber, un tā pat piedalījusies zirnekļu zīda proteīnu pielietošanā virsjakas izstrādē. Ir izveidoti arī sporta apavi.

Tomēr tirgū nonākušajiem produktiem nav mehānisko īpašību, kas piemīt dabiskajam zirnekļu zīdam. Tie visi tiek reklamēti kā ilgtspējīgi produkti, jo iegūti no dabas vielām, neizmantojot naftas resursus, un tāpēc arī var tikt degradēti dabiskā ceļā.

«Taču izmantotā tehnoloģija šo produktu ražošanā ir pavisam atšķirīga no tā, ko mēs vēlamies izmantot. Ieviestā ir balstīta uz organisku šķīdinātāju izmantošanu, līdzīgi kā tiek ražoti ķīmiskie polimēri no naftas produktiem. Ja tā metode ir šāda, tad nav nepieciešami tieši zirnekļu zīda proteīni. Var izmantot arī jebkādas citas dabiskas izcelsmes šķiedras. Ja grib zirnekļu zīda proteīnu pārvērst par materiālu, kam būtu tikpat augstvērtīgas īpašības kā dabiskajam zirnekļa zīdam, nepieciešams izmantot citu tehnoloģisko procesu, kas balstīts nevis uz organiskajiem šķīdinātājiem, bet gan uz ūdeni kā šķīdinātāju. Procesam jānotiek ūdens vidē, lai tas būtu precīzi tāpat kā zirnekļa zīda dziedzerim,» zina stāstīt K. Jaudzems. Viņaprāt, piedāvājumā esošā kaklasaite, kas 100% gatavota no zirnekļu zīda, ir mārketinga triks, jo izejmateriāla ražošanā izmantotās šķiedru īpašības ne tuvu nav tādas kā dabiskajam zirnekļu zīdam. LOSI zinātnieku fundamentālais pētījums vēl tikai jāpārnes uz pielietojumu un komercializāciju.