Πιο δυνατό από ατσάλι, πιο σκληρό από το Kevlar – οι επιστήμονες ρίχνουν νέο φως στο ισχυρότερο μετάξι αράχνης στον κόσμο

Πολλοί επιστήμονες φιλοδοξούν να ανακαλύψουν την εκπληκτική ικανότητα των αράχνων να περιστρέφουν εξαιρετικά δυνατά, ελαφριά και εύκαμπτα μεταξωτά νήματα. Στην πραγματικότητα, το μετάξι της αράχνης είναι ισχυρότερο από το ατσάλι και πιο σκληρό από το Kevlar. Ωστόσο, κανείς δεν έχει καταφέρει να επαναλάβει το έργο των αραχνών ακόμα.

Εάν μπορούσαμε να αναπτύξουμε ένα συνθετικό ισοδύναμο με αυτές τις ιδιότητες, θα μπορούσε να ανοίξει έναν εντελώς νέο κόσμο δυνατοτήτων: το συνθετικό μετάξι αράχνης θα μπορούσε να αντικαταστήσει υλικά όπως το Kevlar, ο πολυεστέρας και οι ίνες άνθρακα σε βιομηχανίες και θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί, για παράδειγμα, για την κατασκευή ελαφριών και ευέλικτα προϊόντα. Αλεξίσφαιρα μπουφάν.

Η Irina Iashina, μεταδιδακτορική ερευνήτρια και βιοφυσικός από το Τμήμα Βιοχημείας και Μοριακής Βιολογίας του Πανεπιστημίου της Νότιας Δανίας (SDU), συμμετέχει σε αυτόν τον αγώνα για να αποκαλύψει τη συνταγή για το σούπερ μετάξι. Έχει γοητευτεί από το μετάξι της αράχνης από τότε που ήταν φοιτήτρια μεταπτυχιακού στο SDU και αυτή τη στιγμή ερευνά το θέμα στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης στη Βοστώνη με την υποστήριξη του Ιδρύματος Velome.

Η βιοφυσικός Irina Iashina, Πανεπιστήμιο της Νότιας Δανίας, μελετά το μετάξι της αράχνης σε έναν υπολογιστή. Πίστωση: Anders Boe/Πανεπιστήμιο της Νότιας Δανίας

Ως μέρος της έρευνάς της, συνεργάζεται με τον επίκουρο καθηγητή SDU και βιοφυσικό Jonathan Brewer, ειδικό στη χρήση διαφορετικών τύπων μικροσκοπίων για την εξέταση βιολογικών δομών.

Μαζί τώρα, για πρώτη φορά, μελέτησαν το εσωτερικό του μεταξιού αράχνης χρησιμοποιώντας ένα οπτικό μικροσκόπιο χωρίς να κόψουν ή να ανοίξουν το μετάξι με κανέναν τρόπο. Αυτή η εργασία έχει πλέον δημοσιευτεί σε περιοδικά Επιστημονικές αναφορές Και Η σάρωση έχει γίνει.

«Χρησιμοποιήσαμε πολλές προηγμένες τεχνικές μικροσκοπίας και αναπτύξαμε επίσης έναν νέο τύπο οπτικού μικροσκοπίου που μας επιτρέπει να κοιτάξουμε ένα κομμάτι ίνας και να δούμε τι υπάρχει μέσα», εξηγεί ο Jonathan Brewer.

Η αράχνη ιστού χρυσής σφαίρας παράγει το μετάξι της από το πίσω άκρο της. Πίστωση: Anders Boe/Πανεπιστήμιο της Νότιας Δανίας

Μέχρι σήμερα, το μετάξι της αράχνης έχει αναλυθεί χρησιμοποιώντας διαφορετικές τεχνικές, οι οποίες έχουν δώσει όλες νέες ιδέες. Ωστόσο, υπήρχαν επίσης μειονεκτήματα σε αυτές τις τεχνικές, όπως επισημαίνει ο Jonathan Brewer, καθώς συχνά απαιτούσαν την κοπή της μεταξωτής κλωστής (επίσης γνωστής ως ίνα) ανοιχτή για να ληφθεί μια διατομή για μικροσκοπία ή κατάψυξη δειγμάτων, η οποία θα μπορούσε να αλλάξει τη δομή του οι ίνες μεταξιού.

«Θέλαμε να μελετήσουμε καθαρές, μη επεξεργασμένες ίνες που δεν έχουν κοπεί, καταψυχθεί ή υποστεί επεξεργασία με κανέναν τρόπο», λέει η Irina Iashina.

Για το σκοπό αυτό, το ερευνητικό δίδυμο χρησιμοποίησε λιγότερο επεμβατικές τεχνικές όπως το Coherent Anti-Stokes Raman Scattering, η ομοεστιακή μικροσκοπία, η ομοεστιακή μικροσκοπία ανάκλασης υπερ-ανάλυσης, η μικροσκοπία σάρωσης ιόντων ηλίου και το σπρέι ιόντων ηλίου.

Διάφορες μελέτες έχουν αποκαλύψει ότι οι ίνες του μεταξιού της αράχνης αποτελούνται από τουλάχιστον δύο εξωτερικά στρώματα λιπιδίων, δηλαδή λιπίδια. Πίσω τους, μέσα στις ίνες, υπάρχουν πολλά λεγόμενα ινίδια που τρέχουν σε ευθεία διάταξη και είναι σφιχτά συσκευασμένα το ένα δίπλα στο άλλο (βλ. εικόνα). Η διάμετρος των ινιδίων κυμαίνεται μεταξύ 100 και 150, που είναι μικρότερη από το όριο που μπορεί να μετρηθεί με ένα συνηθισμένο οπτικό μικροσκόπιο.

Εικονογράφηση από Επιστημονικές αναφορές Χαρτί: Μια σχηματική (όχι σε κλίμακα) αναπαράσταση της προτεινόμενης δομής των ινών μεταξιού αράχνης όπως βρίσκεται στην παρούσα εργασία. (Α) Πλάγια όψη ινών, (Β) Διατομή της ίνας. Ένα μη αγώγιμο εξωτερικό στρώμα πλούσιο σε λιπίδια (πράσινο) πάχους 0,6 έως 1 μm και δύο εσωτερικά αγώγιμα στρώματα αυτοφθορισμού πρωτεΐνης: το ένα δείχνει υψηλότερη συγγένεια προς το FITC (μπλε) και ένα άλλο ροδαμίνη Β που δείχνει υψηλότερη συγγένεια προς το (πορτοκαλί). Ο εσωτερικός πυρήνας πρωτεΐνης αποτελείται από κρυσταλλικές ίνες, ευθυγραμμισμένες παράλληλα με τον μακρύ άξονα της ίνας, που περιβάλλονται από άμορφες πρωτεϊνικές περιοχές. Πηγή: Iachina/Brewer, University of Southern Denmark.

«Δεν είναι στριμμένο, όπως θα μπορούσε κανείς να φανταστεί, έτσι τώρα ξέρουμε ότι δεν χρειάζεται να το στρίψουμε όταν προσπαθούμε να φτιάξουμε τεχνητό μετάξι αράχνης», λέει η Irina Iashina.

Η Iachina και ο Brewer εργάζονται με ίνες μεταξιού από την αράχνη χρυσής σφαίρας, Nephila madagascariensis, η οποία παράγει δύο διαφορετικούς τύπους μεταξιού: ο ένας, που ονομάζεται MAS (μείζονες ίνες μεταξιού) χρησιμοποιείται για την κατασκευή του ιστού της αράχνης και είναι επίσης το μετάξι. που χρησιμοποιεί η αράχνη για να κολλήσει. Η Irina Iashina το αναφέρει ως το αίμα της αράχνης. Είναι πολύ δυνατό και έχει διάμετρο περίπου 10 μικρόμετρα.

Το άλλο, που ονομάζεται MiS (micro ampullary silk fibres), χρησιμεύει ως βοήθημα οικοδομής. Είναι πιο εύκαμπτο και έχει συνήθως διάμετρο 5 μικρόμετρα.

Σύμφωνα με δυαδική ανάλυση, το μετάξι MAS περιέχει ινίδια με διάμετρο περίπου 145 nm. Όσο για το MiS, είναι περίπου 116 nm. Κάθε ίνα αποτελείται από πρωτεΐνες και εμπλέκονται πολλές διαφορετικές πρωτεΐνες. Αυτές οι πρωτεΐνες παράγονται από την αράχνη όταν φτιάχνει τις μεταξωτές ίνες της.

Η κατανόηση του πώς δημιουργούνται τόσο ισχυρές ίνες είναι σημαντική, αλλά η παραγωγή των ινών είναι επίσης πρόκληση. Ως εκ τούτου, οι ερευνητές σε αυτόν τον τομέα βασίζονται συχνά στις αράχνες για να παράγουν το μετάξι τους.

Αντίθετα, μπορούν να καταφύγουν σε υπολογιστικές μεθόδους, πάνω στο οποίο εργάζεται επί του παρόντος η Irina Iashina Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης: “Αυτή τη στιγμή, εκτελώ μια προσομοίωση υπολογιστή για το πώς οι πρωτεΐνες μετατρέπονται σε μετάξι. Ο στόχος είναι φυσικά να μάθω πώς να παράγω τεχνητό μετάξι αράχνης, αλλά με ενδιαφέρει επίσης να συμβάλω στην καλύτερη κατανόηση του κόσμου γύρω μας .»

Παραπομπές: «Νανοσκοπική απεικόνιση πρωτογενούς και δευτερογενούς μεταξιού αμπούλας από την αράχνη ιστού σφαίρας Nephila Madagascariensis» από τους Irina Iachina, Jacek Wiotowski, Horst Günter Ruban, Fritz Vollrath και Jonathan R. Breuer, 24 Απριλίου 202 Επιστημονικές αναφορές.
doi: 10.1038/s41598-023-33839-z

«Μικροσκοπία ιόντων ηλίου και τομή μεταξιού αράχνης» των Irina Iashina, Jonathan R. Breuer, Horst Günter Ruban και Jacek Wojtowski, 22 Μαΐου 2023, Η σάρωση έχει γίνει.
doi: 10.1155/2023/2936788