Kā mākslīgi radīt zirnekļa zīdu un kādiem nolūkiem tas varētu kalpot, Latvijas Radio raidījumā “Zināmais nezināmajā” skaidroja Latvijas Universitātes Medicīnas un dzīvības zinātņu fakultātes (LU MDZF) dekāns, profesors un ķīmiķis, Organiskās sintēzes institūta (OSI) vadošais pētnieks Kristaps Jaudzems, LU MDZF doktorants, OSI zinātniskais asistents Viktors Romaņuks un jaunuzņēmuma “PrintyMed” vadītāja Jekaterina Romanova.
Zirnekļu zīds – daudzsološs materiāls
Zirnekļu zīds ir viens no izturīgākajiem dabas materiāliem, un jau vairākas desmitgades zinātnieki aktīvi pēta tā īpašības un meklē veidus, kā to atdarināt. Šis biomateriāls izceļas ar unikālu stingrības un elastības kombināciju, kas pārsniedz pat kevlāra un tērauda īpašības.
Turklāt zirnekļu zīds ir bioloģiski saderīgs un bioloģiski noārdāms, padarot to par daudzsološu materiālu ne tikai materiālzinātnei, bet arī medicīnas un kosmētikas nozarēm.
Zirnekļu zīda proteīnu (spidroīnu) iegūšana no zirnekļiem industriālos apjomos nav iespējama to kanibālistiskā un teritoriālā dzīvesveida dēļ. Šis ierobežojums ir veicinājis alternatīvu spidroīnu iegūšanas metožu izstrādi biotehnoloģiskā ceļā. Taču pagājušajā gadā OSI ar sadarbības partneriem Kristapa Jaudzema vadībā ir izstrādājis inovatīvu metodi mākslīgā zirnekļa zīda šķiedru iegūšanai ar uzlabotām fizikālajām īpašībām, kuru elastība ir gandrīz divreiz lielāka nekā dabiskajam zirnekļa zīdam.
Latvijas Zinātņu akadēmija šo atklājumu ir atzinusi par vienu no izcilākajiem sasniegumiem zinātnē 2024. gadā. Pētījums tapis, sadarbojoties pētniekiem Latvijas Organiskās sintēzes institūtā, Latvijas Universitātē, Rīgas Tehniskajā universitātē un Karolinskas institūtā Zviedrijā.
Zirnekļus aizstāj ar baktērijām
Jaudzems norādīja, ka šis jau ir otrais sasniegums jeb atzinība, kas tiek piešķirta komandai par zirnekļa zīda pētījumiem. Pētījumu sākumā, lai labāk izprastu zirnekļu zīda tapšanu, viņi pievērsušies pašiem zirnekļiem.
“Ja sākotnēji mēs pētījām, kā zirnekļa zīds tiek veidots dabā, kā zirnekļi to veic, tad šobrīd mēs esam jau izstrādājuši tehnoloģiju, kas atdarina dabisko procesu un ļauj mums iegūt mākslīgo zirnekļa zīdu,” stāstīja Jaudzems.
Viņš atzina, ka mākslīgā zirnekļu zīda tapšanas process nenoliedzami ir ārkārtīgi komplicēts, turklāt apvieno gan bioloģiju, gan ķīmiju.
“Mēs izmantojam baktērijas kā tādas bioloģiskas ražotnes un tālāk baktēriju saražotās vielas vēl modificējam ķīmiski, lai beigās iegūtu zirnekļu zīdu ar augstvērtīgām mehāniskām īpašībām,” skaidroja Jaudzems.
Proti, to darbu, ko dabā izdara zirneklis, laboratorijā izdara baktērijas un ķīmiķi.
“Baktērijas ir daudz vienkāršāki organismi, ar kuriem mēs varam manipulēt, kuros mēs varam ievadīt zirnekļa gēnu un likt ražot zirnekļa vielu, no kā šis zirnekļa zīds sastāv. Zirnekļi tādā ziņā ir daudz sarežģītāki, daudz grūtāk audzējami, kopjami. Tie ir kanibālistiski plēsēji. Līdz ar to no tiem tieši iegūt zirnekļa zīdu lielos apjomos faktiski nav iespējams,” stāstīja Jaudzems.
Nepilnību pārvērš ieguvumā
Zirnekļu zīds ir unikāls materiāls ne tikai savu īpašību, bet arī ķīmiskā sastāva dēļ, jo ir bagāts ar aminoskābēm, kas turklāt var būt atšķirīgas, norādīja Romaņuks.
Katrs zirneklis spēj radīt līdz pat septiņiem astoņiem dažādiem zīda veidiem, kas atšķiras tikai pēc aminoskābju sastāva.
“Tas arī ietekmē to, vai tas zīds tiks izmantots, piemēram, lai noķertu kaut kādu barību, kaut kādas mušas vai ko, vai arī tas tiks izmantots zirnekļa oliņu ietīšanai, jo tur ir citas prasības,” piebilda Jaudzems.
Romaņuks skaidroja, ka no baktērijām mākslīgi iegūt zirnekļa zīdu ar tādu pašu aminoskābju sastāvu un daudzumu, kāds ir zirnekļa zīdā, nav īsti efektīvi.
“Tāpēc mūsu gadījumā tas proteīns, kuru mēs iegūstam, izmērā ir daudzas reizes mazāks nekā dabīgajā zirnekļa zīdā, un tas mums ļauj iegūt daudz vairāk tā zirnekļa zīda proteīna. Pēc tam nākošais solis, ko mēs mēģinām izdarīt, ir savienot tos savā starpā. Tas ir mūsu veids, kā apiet tādu sarežģītu situāciju,” skaidroja Romaņuks.
Šī nosacīti nepilnība jeb mazāka izmēra aminoskābes, kas pēc tam jāsavieno, ir ļāvusi nonākt pie vēl labāka iznākuma, nekā cerēts – mākslīgais zirnekļa zīds tādēļ ir divas reizes elastīgāks nekā dabiskais.
Pēta iespēju veidot mākslīgos orgānus
Svarīgi, ka mākslīgais zirnekļu zīds neeksistē tikai zinātnieku laboratorijā. Tas jau tiek ražots un izmantots pētījumos, lai radītu jaunus, inovatīvus produktus, norādīja Romanova.
“Man liekas, tas ir pats svarīgākais – lai šis pētījums nepaliek kaut kur vienkārši plauktā aizmirsts, bet lai to reāli var izmantot un komercializēt. Lai reāli cilvēki pēc tam no tā iegūst kaut kādu labumu. Mēs esam, protams, skatījušies ilgi un domājuši, kur to varētu pielietot visefektīvāk, un šobrīd mēs esam nonākuši pie secinājuma, ka medicīna ir tas virziens, kurā vēlamies iet,” stāstīja Romanova.
Šobrīd jaunuzņēmums “PrintyMed” strādā pie diviem projektiem. Pirmais no tiem ir speciālas membrānas orgāniem uz čipa.
“Orgāni uz čipa ir tādi, teiksim, orgānu modeļi, kas galvenokārt ir domāti zāļu testēšanai un dažādiem eksperimentiem, lai mazinātu dzīvnieku izmantošanu. Tas ir pirmais pielietojums, jo tur mums nav vajadzīga medicīniskā sertifikācija un tur mēs varam, teiksim, daudz ātrāk sākt mākslīgā zirnekļu zīda pārdošanu,” norādīja Romanova.
Membrāna šādiem orgāniem uz čipa nepieciešama tāpēc, lai turētu kopā un sasaistītu šūnas, kas čipā tiek izmantotas.
Paralēli tam tiek attīstīts arī otrais projekts, kas zirnekļu zīdam paredz jau dziļāku un nopietnāku medicīnisko pielietojumu.
“Šobrīd mēs esam uztaisījuši mākslīgā sirds vārstuļa prototipu no mākslīgā zirnekļu zīda, ko mēs tālāk domājam pētīt, bet ir skaidrs, ka ceļš vēl ir tāls ejams, jo tā ir trešās klases medicīniskā ierīce, kurai ir nepieciešama visa sertifikācija, klīniskie pētījumi un tā tālāk. Tā ka tas ir diezgan ilgstošs process, bet šobrīd mēs jau to darām,” stāstīja Romanova.
Romanova norādīja, ka nākotnes mērķis ir no mākslīgā zirnekļu zīda radīt veselus mākslīgos orgānus un ietvarus. Sirds vārstulis ir tikai sākums.
Latvijā veidos sirds vārstuļus no mākslīgā zīda 3min
Ar ko šis mākslīgais zirnekļu zīds atšķiras no citiem?
Jāpiemin, ka mūsu zinātnieki nav vienīgie pasaulē, kas radījuši mākslīgo zirnekļa zīdu, taču viņu radītā metode ir inovatīva un unikāla tieši ar pēdējo procesa soli – ķīmisko modificēšanu, kas dod vairākas priekšrocības.
“Viens ir tas, ka mēs varam šķērssaistīt olbaltumvielu ķēdītes un tas mums ļauj modificēt jeb pielāgot to šķiedru īpašības. Mēs varam viegli, vairāk vai mazāk šķērssaistot tās olbaltumvielu ķēdes, panākt to, ka šķiedra beigās ir vai nu stingrāka, vai tieši otrādi – elastīgāka. Otrs – mēs varam veidot pārklājumu. Tātad tas ķīmiskais solis ļauj pievienot kaut ko ķīmisku. Piemēram, dabā esošajam zirnekļu zīdam ir antibakteriālas īpašības, un mēs arī skatāmies, ka varētu pievienot šo antibakteriālo funkciju,” skaidroja Jaudzems.
Treškārt, jaunā metode ir unikāla ar to, ka tajā tiek izmantots tikai ūdens, nevis kādi organiskie šķīdinātāji, un tas šādi iegūtās mākslīgā zirnekļu zīda šķiedras padara piemērotākas izmantošanai medicīnā.
“Mēs izmantojam pieeju, kas ir maksimāli tuva zirnekļu izmantotajai pieejai, tāpēc uzskatām, ka mūsu šķiedra ir tuvāka dabiskajai un ar lielāku potenciālu izmantot to medicīnā. Arī pats ražošanas process ir videi draudzīgāks,” norādīja Jaudzems.
Romanova apstiprināja, ka šobrīd ir arī vairāki citi uzņēmumi pasaulē, kas ražo dažādu veidu mākslīgo zirnekļa zīdu un galvenokārt darbojas tekstila nozarē, bet to radītie materiāli ir ļoti atšķirīgi.
“Ir uzņēmumi, kas mākslīgo zirnekļa zīdu ražo pat no tādiem kā tārpiņiem. Variantu ir daudz, kā to zīdu iegūst, bet pēc sastāva tie materiāli ir diezgan atšķirīgi. Skatoties tieši uz mūsu mākslīgā zirnekļu zīda īpašībām, mēs redzam, ka tās īpašības tiešām ir daudz vairāk piemērotas medicīnai un daudz lielāku labumu var dot tieši medicīnā,” norādīja Romanova.