تارعنکبوت: نیرومندتر از فولاد و مقاوم‌تر از کولار

غزال زیاری: عنکبوت‌ها تنها تار نمی‌تنند، بلکه به‌طور واقعی این تارها را مهندسی می‌کنند. در حین تنیدن تار، آن‌ها با کشش تارها به تقویت الیاف در سطح مولکولی می‌پردازند، پروتئین‌هایشان را هم‌تراز کرده و پیوندهای اضافی ایجاد می‌کنند که به دوام شگفت‌انگیز تارهایشان کمک می‌کند. حالا پژوهشگران با استفاده از شبیه‌سازی‌های محاسباتی و آزمایش‌های بالینی این راز را کشف کرده‌اند و همین امر، مسیر را برای تولید این تارها از طریق مهندسی زیستی برای کاربردهای مختلف، از بخیه‌های پزشکی تا زره‌های مقاوم فراهم کرده است.

تقویت تارها با کشش زمانی که عنکبوت‌ها تار می‌تنند، از پاهای عقب خود برای کشیدن این تارها از غدد تار ریسی استفاده می‌کنند. این عمل کشش، علاوه بر آزادسازی تارها، باعث تقویت الیاف و در نتیجه بادوام‌تر شدن آن‌ها می‌شود. مطالعه‌ای که در دانشگاه نورث وسترن انجام شده، نقش کلیدی این حرکات کششی را نشان می‌دهد. محققان با شبیه‌سازی‌های کامپیوتری متوجه شدند که کشش تارهای عنکبوتی، زنجیره‌های پروتئینی آن‌ها را هم‌راستا کرده و پیوندهای مولکولی بیشتری میان آن‌ها برقرار می‌کند. این تغییرات به‌طور قابل‌توجهی قدرت و سختی الیاف را افزایش می‌دهد.

مهندسی تارهای همه‌کاره اعضای این تیم برای تأیید یافته‌های خود، با استفاده از تارعنکبوت مهندسی‌شده، آزمایش‌های مختلفی انجام دادند که نتایج آن‌ها به دانشمندان کمک می‌کند تا مواد پیشرفته‌ای با الهام از تارهای عنکبوت برای کاربردهایی نظیر بخیه‌های جراحی زیست‌تخریب‌پذیر و زره‌های فوق‌العاده سخت تولید کنند. سینان کتن، نویسنده ارشد این تحقیق بیان کرد: «محققان قبلاً می‌دانستند که کشیدن تارها برای ایجاد الیافی بسیار قوی ضروری است؛ اما کسی دلیل آن را نمی‌دانست. با استفاده از روش محاسباتی‌مان، توانستیم آنچه در مقیاس نانو می‌گذرد را بررسی کنیم و به بینش‌هایی دست یابیم که به‌طور تجربی قابل‌مشاهده نیستند.»

عنکبوت‌ها: استادان طبیعی طراحی تار جاکوب گراهام، یکی از نویسندگان این مطالعه گفت: «عنکبوت‌ها فرآیند طراحی را به‌طور طبیعی انجام می‌دهند. آن‌ها از پاهای عقبشان برای کشیدن الیاف و استخراج آن‌ها از غدد تار استفاده می‌کنند. این کار باعث کشش فیبر در هنگام تشکیل می‌شود و آن را بسیار قوی و الاستیک می‌کند. ما متوجه شدیم که می‌توان خواص مکانیکی فیبر را به‌سادگی با تغییر میزان کشش تنظیم کرد.»

مدت‌هاست که محققان به دلیل ویژگی‌های قابل‌توجه تارعنکبوت‌ها به آن‌ها توجه دارند: تارهایی قوی‌تر از فولاد و سخت‌تر از کولار که مانند لاستیک کشش دارند. اما ازآنجاکه پرورش عنکبوت برای دستیابی به تار طبیعی آنها هزینه‌بر و دشوار است، دانشمندان به دنبال بازآفرینی این تارهای ابریشمی در آزمایشگاه‌ها هستند.

گراهام در این مورد گفت: «تارعنکبوت قوی‌ترین فیبر ارگانیک است و همچنین زیست‌تخریب‌پذیر است؛ بنابراین ماده ایده‌آلی برای کاربردهای پزشکی است که می‌توان از آن برای بخیه‌های جراحی و ژل‌های چسبنده برای بستن زخم استفاده کرد؛ زیرا به‌طور طبیعی و بی‌ضرر در بدن تخریب می‌شود.»

فوژونگ ژانگ، همکار پژوهش و پروفسور در دانشگاه واشنگتن، چند سالی است که در تلاش برای تولید مواد تارعنکبوت، میکروب‌ها را مهندسی می‌کند. اعضای این تیم با استخراج پروتئین‌های مهندسی‌شده تارعنکبوت و سپس کشیدن آن‌ها با دست، نوعی الیاف مصنوعی شبیه به تارهای یک عنکبوت بزرگ با تار فوق‌العاده قوی ساختند.

شبیه‌سازی میزان کشش: علم پشت قدرت محققان با اینکه موفق به کشف فرمول تولید تار عنکبوت شده‌اند، اما هنوز به‌طور کامل درک نکرده‌اند که چگونه فرآیند ریسندگی، ساختار و استحکام الیاف را تغییر می‌دهد. کتن و گراهام برای یافتن پاسخ این پرسش، یک مدل محاسباتی برای شبیه‌سازی دینامیک مولکولی در تارهای مصنوعی تولید شده توسط ژانگ ایجاد کردند. اعضای تیم از طریق این شبیه‌سازی‌ها به بررسی این موضوع پرداختند که چگونه کشش بر آرایش پروتئین‌ها در الیاف تأثیر می‌گذارد و نحوه تأثیر کشش بر ترتیب پروتئین‌ها، اتصال آن‌ها به یکدیگر و حرکت مولکول‌ها را بررسی کردند. آن‌ها در نهایت دریافتند که کشش موجب هم‌راستایی پروتئین‌ها شده و این امر قدرت کلی فیبر را افزایش می‌دهد و در عین حال با کشش، تعداد پیوندهای هیدروژنی که برای تشکیل فیبر عمل می‌کنند، افزایش می‌یابد. آن‌ها همچنین متوجه شدند که افزایش پیوندهای هیدروژنی به استحکام، چقرمگی و کشش کلی فیبر کمک خواهد کرد.

گراهام توضیح داد: «زمانی که یک فیبر کشیده می‌شود، خواص مکانیکی‌اش بسیار ضعیف است؛ اما وقتی تا شش برابر طول اولیه‌اش کشیده شود، بسیار قوی خواهد شد.»

از نظریه تا واقعیت: آزمایش الیاف اعضای تیم برای تأیید یافته‌های محاسباتی‌شان، از تکنیک‌های طیف‌سنجی برای بررسی چگونگی کشیده شدن و هم‌تراز شدن زنجیره‌های پروتئینی در الیاف واقعی استفاده کردند و با آزمایش کشش بررسی کردند که الیاف قبل از پاره شدن تا چه میزان کشش را تحمل می‌کنند. نتایج تجربی با پیش‌بینی‌های شبیه‌سازی مطابقت داشت.

گراهام گفت: «اگر مواد را کشش ندهید، کره‌هایی کروی از پروتئین‌ها را دارید؛ اما کشش، این کره‌ها را به یک شبکه به‌هم‌پیوسته تبدیل می‌کند. زنجیره‌های پروتئینی روی‌هم قرار می‌گیرند و شبکه بیشتر به هم متصل می‌شود. پروتئین‌های بسته‌بندی‌شده، پتانسیل بیشتری برای باز شدن و گسترش بیشتر قبل از شکستن فیبر دارند، اما پروتئین‌های توسعه‌یافته در ابتدا فیبر کمتری تولید می‌کنند که نیاز به نیروی بیشتری برای شکستن دارند.»

گراهام قبلاً فکر می‌کرد که عنکبوت‌ها تنها موجوداتی هستند، اما حالا به پتانسیل این جانوران کوچک برای کمک به حل مشکلات واقعی پی برده است. او در این مورد گفت: «تارعنکبوت مهندسی‌شده، جایگزینی قوی‌تر و زیست‌تخریب‌پذیرتر برای سایر مواد مصنوعی است که عمدتاً پلاستیک‌های مشتق شده از نفت هستند. قطعاً از این به بعد با دید جدیدی به عنکبوت‌ها نگاه می‌کنم. قبلاً آن‌ها برای من مزاحم بودند، اما حالا به عنوان منبعی جذاب به آن‌ها می‌نگرم.»

به نقل از tgju

انتهای پیام/