راز استحکام ابریشم عنکبوت فاش شد/ ابریشم‌های مصنوعی اَبَرقدرتمند در راهند

به گزارش خبرنگار فناوری خبرگزاری علم و فناوری آنا، تعداد زیادی از دانشمندان در آرزوی کشف توانایی قابل توجه عنکبوت‌ها در تولید نخ‌های ابریشمی که بسیار قوی، سبک و انعطاف‌پذیر است، هستند.

درواقع، ذره‌ذره ابریشم عنکبوت از فولاد قوی‌تر و از کِولار (Kevlar) سخت‌تر است. با این حال، هنوز هیچ کس نتوانسته است کار عنکبوت‌ها را تکرار کند.

محققان می‌گویند اگر روزی موفق به تولید معادل مصنوعی با این ویژگی‌ها شویم، ممکن است دنیای کاملاً جدیدی از امکانات به روی بشر باز شود: ابریشم مصنوعی عنکبوت می‌تواند جایگزین موادی مانند کِولار، پلی‌استر و فیبر کربن در صنایع شود و برای مثال برای ساخت جلیقه‌های ضد گلوله سبک‌ و انعطاف‌پذیر استفاده شود. 

پژوهشگران دانشگاه جنوب دانمارک (SDU) با همکاری دانشمندان مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) در تلاش هستند دستورالعمل تولید اَبَرابریشم را کشف کنند. 

این گروه از محققان اولین بار با استفاده از میکروسکوپ نوری بدون بریدن یا باز کردن ابریشم، قسمت‌های داخلی ابریشم عنکبوت را مطالعه کرده‌اند.

«جاناتان بروئر» مجری این تحقیقات از مؤسسه فناوری ماساچوست توضیح می‌دهد: از چندین روش پیشرفته میکروسکوپی استفاده کرده‌ایم و همچنین نوع جدیدی از میکروسکوپ نوری را توسعه داده‌ایم که به ما اجازه می‌دهد تا در بالاترین حد امکان به یک رشته ابریشمی نگاه کنیم و ببینیم چه چیزی داخل آن است.

پیش از این، محققان از روش‌های بسیار متنوعی برای بررسی ابریشم عنکبوت استفاده کرده‌اند که همگی بینش و شناخت جدیدی از این پدیده طبیعی ارائه کرده‌اند. با این حال، این روش‌ها نیز اشکالاتی دارند؛ زیرا اغلب نیاز به برش نخ ابریشم (که فیبر نیز نامیده می‌شود) برای به دست آوردن سطح مقطع برای بررسی میکروسکوپی یا انجماد نمونه‌ها هستند که می‌تواند ساختار الیاف ابریشم را تغییر دهد. 

«ایرینا یاچینا» (Irina Iachina) از دانشگاه جنوب دانمارک می گوید: درصدد بودیم الیاف خالص و دستکاری‌نشده را که به هیچ وجه بریده، منجمد یا دستکاری نشده‌اند، مطالعه کنیم.

به همین منظور آنها از روش‌های کمتر تهاجمی مانند پراکندگی منسجم ضد استوکس رامان، میکروسکوپ کانفوکال، میکروسکوپ کاهش انعکاس فلورسانس با وضوح فوق‌العاده، میکروسکوپ یون هلیوم روبشی و کندوپاش یون هلیوم استفاده کردند.

مطالعات مختلف نشان داد که الیاف ابریشم عنکبوت حداقل از دو لایه بیرونی لیپید، یعنی چربی تشکیل شده است. در پشت آنها یعنی در داخل فیبر، فیبرهای متعددی به نام فیبریل وجود دارد که در یک آرایش مستقیم و محکم در کنار هم قرار گرفته‌اند. قطر فیبرها بین 100 تا 150 میکرومتر است که کمتر از حدی است که می‌توان با میکروسکوپ نوری معمولی اندازه‌گیری کرد.

تصویر از مقاله گزارش‌های علمی: نمایش شماتیک (نه در مقیاس) از ساختار پیشنهادی یک الیاف ابریشم عنکبوت همانطور که در کار حاضر یافت می‌شود. (الف) نمای جانبی فیبر، (ب) مقطع از طریق فیبر. یک لایه بیرونی و غیر رسانا غنی از لیپید (سبز) با ضخامت بین 0.6 تا 1 میکرومتر، دو لایه پروتئینی رسانا و درونی اتوفلورسنت: یکی که FITC میل بیشتری نسبت به (آبی) نشان می‌دهد و دیگری رودامین B میل ترکیبی بیشتری را به (نارنجی) نشان می‌دهد. 

هسته پروتئینی داخلی از فیبریل‌های کریستالی تشکیل شده است که به موازات محور طولانی فیبر قرار گرفته و توسط نواحی پروتئین آمورف بیشتری احاطه شده است. 

یاچینا می‌گوید: این ساختار پیچ‌خورده نیست، چیزی که ممکن است تصور شود، بنابراین اکنون می‌دانیم که در تلاش برای ساخت ابریشم مصنوعی عنکبوت، نیازی به پیچاندن آنها نیست.

این پژوهشگران با فیبرهای ابریشم به دست آمده از «عنکبوت گوی‌طلایی ماداگاسکار» به نام علمی «نفیلا ماداگاسکارینسیس» (Nephila Madagascariensis) کار می‌کنند که دو نوع مختلف ابریشم تولید می‌کند: یکی به نام MAS (الیاف ابریشم اصلی آمپولات) که عنکبوت از آن برای ساختن تار و همچنین آویزان شدن از آن استفاده می کند.

یاچینا از این فیبر به‌عنوان راه نجات عنکبوت یاد می کند؛ تقریبا 10 میکرومتر قطر دارد و بسیار قوی است. 

دیگری، MiS (الیاف ابریشم کوچک آمپولات) است به‌عنوان یک ماده کمکی برای ساخت‌وساز عمل می‌کند. کشسان‌تر است و معمولاً حدود 5 میکرومتر قطر دارد.

بر اساس مطالعات محققان دانمارکی و آمریکایی، ابریشم MAS حاوی فیبرهایی با قطر تقریباً 145 نانومتر است. ابریشم MiS، تقریباً 116 نانومتر قطر دارد. هر فیبریل از پروتئین تشکیل شده است و چندین پروتئین مختلف در آن نقش دارند. این پروتئین‌ها زمانی ساخته می‌شود که عنکبوت در حال تولید الیاف ابریشمی خود است.

درک اینکه چگونه عنکبوت‌ها می‌توانند چنین الیاف مستحکمی بسازند مهم است، اما تولید آنها نیز چالش‌برانگیز است. بنابراین، محققان در این زمینه اغلب به عنکبوت‌ها برای تولید ابریشم تکیه می‌کنند.

اکنون این گروه از دانش‌پژوهان با بهره‌مندی از روش‌های محاسباتی در تلاش هستند از شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای درباره نحوه تبدیل پروتئین‌ها به ابریشم استفاده کنند. آنها قصد دارند چگونگی ساخت ابریشم مصنوعی عنکبوت را بیاموزند.

نتایج این تحقیقات در دو نشریه Scientific Reports و Scanning منتشر شده است.