Irina Iachina Holding Silk Fiber

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

Πολλοί επιστήμονες φιλοδοξούν να ξεκλειδώσουν την αξιοσημείωτη ικανότητα των αράχνων να περιστρέφουν μεταξωτές κλωστές που είναι εξαιρετικά δυνατές, ελαφριές και εύκαμπτες. Στην πραγματικότητα, λίβρα προς λίβρα, 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 καταφέρουμε ποτέ να αναπτύξουμε ένα συνθετικό ισοδύναμο με αυτά τα χαρακτηριστικά, μπορεί να ανοίξει ένας εντελώς νέος κόσμος δυνατοτήτων: Το τεχνητό μετάξι αράχνης θα μπορούσε να αντικαταστήσει υλικά όπως το Kevlar, ο πολυεστέρας και οι ίνες άνθρακα σε βιομηχανίες και να χρησιμοποιηθεί, για παράδειγμα, για να γίνει ελαφρύ και εύκαμπτο αλεξίσφαιρα γιλέκα.

Η μεταδιδακτορική και βιοφυσικός Irina Iachina 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 την εποχή της ως μεταπτυχιακός φοιτητής στο SDU, και αυτή τη στιγμή, ερευνά το θέμα στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης στη Βοστώνη με την υποστήριξη του Ιδρύματος Villum.

Ως μέρος της έρευνάς της, συνεργάζεται με τον αναπληρωτή καθηγητή και βιοφυσικό Jonathan Brewer στο SDU, ο οποίος είναι ειδικός στη χρήση διαφόρων τύπων μικροσκοπίων για την εξέταση βιολογικών δομών.

Διαβάστε επίσης: Ερευνητές αναπτύσσουν ελαφρύ δισδιάστατο υλικό ισχυρότερο από τον χάλυβα

Μαζί, τώρα, για πρώτη φορά, μελέτησαν τα εσωτερικά μέρη του μεταξιού αράχνης χρησιμοποιώντας ένα οπτικό μικροσκόπιο χωρίς να κόψουν ή να ανοίξουν το μετάξι με κανέναν τρόπο. Αυτή η εργασία έχει πλέον δημοσιευτεί στα περιοδικά Επιστημονικές Εκθέσεις και Ερευνα.

«Έχουμε χρησιμοποιήσει πολλές προηγμένες τεχνικές μικροσκοπίας και έχουμε επίσης αναπτύξει ένα νέο είδος οπτικού μικροσκοπίου που μας επιτρέπει να κοιτάζουμε μέχρι τέρμα μέσα σε ένα κομμάτι ίνας και να βλέπουμε τι υπάρχει μέσα», εξηγεί ο Jonathan Brewer.

Μέχρι στιγμής, το μετάξι της αράχνης έχει αναλυθεί χρησιμοποιώντας διάφορες τεχνικές, οι οποίες έχουν δώσει όλες νέες ιδέες. Ωστόσο, υπήρξαν επίσης μειονεκτήματα σε αυτές τις τεχνικές, όπως επισημαίνει ο Jonathan Brewer, καθώς συχνά απαιτούν το κόψιμο του μεταξωτού νήματος (ονομάζεται επίσης ίνα) ανοιχτό για να ληφθεί μια διατομή για μικροσκοπική εξέταση ή κατάψυξη των δειγμάτων, η οποία μπορεί να αλλάξει τη δομή των ινών μεταξιού.

«Θέλαμε να μελετήσουμε καθαρές και αχειροποίητες ίνες που δεν έχουν κοπεί, καταψυχθεί ή χειριστεί με κανέναν τρόπο», λέει η Irina Iachina.

Για το σκοπό αυτό, το ερευνητικό δίδυμο χρησιμοποίησε λιγότερο επεμβατικές τεχνικές όπως Coherent Anti-Stokes Raman Scattering, Confocal Microscopy, Ultra-Resolution Confocal Reflection Fluorescence Depletion Microscopy, Scanning Helium Ion Microscopy και Helium Ion Sputtering.

Οι διάφορες μελέτες αποκάλυψαν ότι η ίνα του μεταξιού της αράχνης αποτελείται από τουλάχιστον δύο εξωτερικά στρώματα λιπιδίων, δηλαδή λίπη. Πίσω τους, μέσα στην ίνα, υπάρχουν πολυάριθμα λεγόμενα ινίδια που τρέχουν σε ευθεία, σφιχτά συσκευασμένα το ένα δίπλα στο άλλο (βλ. εικόνα). Τα ινίδια έχουν διάμετρο που κυμαίνεται μεταξύ 100 και 150, η οποία είναι κάτω από το όριο αυτού που μπορεί να μετρηθεί με ένα κανονικό μικροσκόπιο φωτός.

«Δεν είναι στριμμένα, όπως θα μπορούσε κανείς να φανταστεί, οπότε τώρα ξέρουμε ότι δεν χρειάζεται να τα στρίψουμε όταν επιχειρούμε να δημιουργήσουμε συνθετικό μετάξι αράχνης», λέει η Irina Iachina.

Η Iachina και η Brewer εργάζονται με ίνες μεταξιού από την αράχνη χρυσής σφαίρας, Nephila Madagascariensis, η οποία παράγει δύο διαφορετικούς τύπους μεταξιού: Ο ένας, που ονομάζεται MAS (Major Ampullate Silk fibers), χρησιμοποιείται για την κατασκευή του ιστού της αράχνης, και είναι επίσης ο μετάξι που χρησιμοποιεί η αράχνη για να κρέμεται. Η Irina Iachina το αναφέρει ως τη σανίδα σωτηρίας της αράχνης. είναι πολύ δυνατό και έχει διάμετρο περίπου 10 μικρόμετρα.

Το άλλο, που ονομάζεται MiS (Minor Ampullate Silk fibers), χρησιμεύει ως βοηθητικό υλικό για την κατασκευή. Είναι πιο ελαστικό και τυπικά έχει διάμετρο 5 μικρομέτρων.

Σύμφωνα με την ανάλυση του ντουέτου, το μετάξι MAS περιέχει ινίδια με διάμετρο περίπου 145 νανόμετρα. Για το MiS, είναι περίπου 116 νανόμετρα. Κάθε ινίδιο αποτελείται από πρωτεΐνες και εμπλέκονται πολλές διαφορετικές πρωτεΐνες. Αυτές οι πρωτεΐνες παράγονται από την αράχνη όταν δημιουργεί τις μεταξωτές ίνες της.

Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο μπορούν να δημιουργήσουν τόσο ισχυρές ίνες είναι σημαντική, αλλά η παραγωγή των ινών είναι επίσης δύσκολη. Ως εκ τούτου, οι ερευνητές σε αυτόν τον τομέα συχνά βασίζονται σε αράχνες για να παράγουν το μετάξι για αυτές.

Εναλλακτικά, μπορούν να στραφούν σε υπολογιστικές μεθόδους, πάνω στο οποίο εργάζεται αυτή τη στιγμή η Irina Iachina ΜΕ: «Αυτή τη στιγμή, κάνω προσομοιώσεις 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 συνεισφέρω στην καλύτερη κατανόηση του κόσμου γύρω μας», λέει.

Παραπομπές: «Απεικόνιση σε νανοκλίμακα μεγάλου και δευτερεύοντος μεταξιού αμπούλας από την αράχνη σφαιρικού ιστού Nephila Madagascariensis» από τους Irina Iachina, Jacek Fiutowski, Horst-Günter Rubahn, Fritz Vollrath και Jonathan R. Brewer, 24 Απριλίου 2023, Επιστημονικές Εκθέσεις.
DOI: 10.1038/s41598-023-33839-z

«Microscopy Ion Helium and Sectioning of Spider Silk» των Irina Iachina, Jonathan R. Brewer, Horst-Günter Rubahn και Jacek Fiutowski, 22 Μαΐου 2o23, Ερευνα.
DOI: 10.1155/2023/2936788

Διαβάστε επίσης:

Ανακαλύφθηκε νέο είδος αράχνης Daddy Long-Legs

Προκλήσεις μελέτης Επικρατούσες απόψεις για την πρώιμη αναπαραγωγή των ζώων

Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι η εξαιρετικά σπάνια συλλογή απολιθωμάτων θαλάσσιας αράχνης ηλικίας 160 εκατομμυρίων ετών είναι στενά συνδεδεμένα με ζωντανά είδη

Απάντηση