ساخت مقاوم‌ترین تار عنکبوت مصنوعی (+عکس)

موبنا، رضا خواجه‌وند – بشر این روزها انواع مختلف آسمان‌خراش‌ها، هواپیماها با سرعت بالاتر از صوت و ذرات با قابلیت نفوذ تا عمق یک مایلی زمین را تولید می‌کنند که هر کدام از آنها به نوبه خود یک اتفاق قابل ملاحظه و بزرگ محسوب می‌شوند.

در بین همه این اتفاقات و پیشرفت‌های علمی، خانه‌ای که عنکبوت برای خود تولید می‌کند معماری و معماهای زیادی را در خود جا داده که انسان به دنبال کشف آن است. تارهای ابریشمی که عنکبوت برای به دام انداختن طعمه‌ها و شکارهای خود مورد استفاده قرار می‌دهد یکی از شاهکارهای معماری در طبیعت است و مهندسی بسیار عجیبی دارد. تار عنکبوت به گونه‌ای ساخته شده است که هر میلیمتر از آن می‌تواند بدون پاره شدن یا تغییر حالت حجم قابل ملاحظه‌ای از انرژی را تحمل کند و در آخرین بررسی‌های علمی مشخص شده است که تار عنکبوت حتی از فولاد مقاوم‌تر و از لاستیک انعطاف‌پذیرتر است.

دانشمندان هم‌اکنون نوعی تار عنکبوت مصنوعی ساخته‌اند که بسیاری از قابلیت‌های مذکور را شامل می‌شود و با مدل طبیعی خود برابری می کند. این تار عنکبوت مصنوعی می‌تواند در مقیاس بزرگ تولید شود و محدودیت‌هایی که تا پیش از این در فعالیت‌های تحقیقاتی وجود داشت را از بین ببرد.

تلاش دانشمندان برای ساخت مواد مختلف شبیه به تار عنکبوت طبیعی اتفاق جدیدی محسوب نمی‌شود. به عنوان مثال در سال ۲۰۱۰ میلادی بنیاد ملی علوم آمریکا پروژه‌ای را مطرح کرد که بر اساس آن بزهایی که به صورت ژنتیکی مهندسی شده بودند، در شیر خود ماده موجود در تار عنکبوت را تولید می‌کردند و این در حالی بود که دیگر پروژه‌ها بر تولید انبوه پروتئین‌های تار عنکبوت موسوم به «اسپیدروینز» در مخمر، باکتری‌ها و سلول‌های حشرات تاکید داشتند. در سال ۲۰۱۵ میلادی محققان در نشریه بین‌المللی Biomaterials اعلام کردند که به کمک بزهای تراریخته شده توانسته‌ است پروتئین اسپدروینز را برای رشد سلول‌های مغزی مورد استفاده قرار دهند.

محققان هفته گذشته در آخرین شماره از نشریه بین‌المللی «زیست‌شناسی ماهیت شیمی» توضیح دادند: «از آنجایی که عنکبوت‌ها به صورت منطقه‌ای زندگی می‌کنند و مقادیر اندک ابریشم را به تولید می‌رسانند، هرگونه استفاده صنعتی از تار ابریشم نیازمند آن است که ترکیب جدید از پروتئین اسپیدروینز به دسسست آید و الیاف تار عنکبوت به صورت مصنوعی به تولید انبوه برسد».

به هر حال باید توجه داشت اسپیدروینزهایی که پیش‌تر بر اساس فرآیند مهندسی به دست آمدند نتوانستند به طور کامل جایگزین پروتئین‌هایی شوند که خانواده عنکبوتیان تولید می‌کنند. پروتئین‌های مهندسی شده مصنوعی به صورت بسیار محدود در برخی موارد مورد استفاده قرار می‌گیرند و درصد بسیار اندکی از آنها به کار گرفته می‌شود. آنها می‌بایست به صورت توده در کنار هم قرار بگیرند و البته دانشمندان نتوانسته‌اند به صورت مایع از آنها استفاده کنند.

علاوه بر این، تارهای عنکبوت مصنوعی که تاکنون ساخته شده‌اند خواص فیزیکی ویژه‌ای را شامل می‌شوند که هنوز ناقص هستند و دانشمندان تلاش می‌کنند محدودیت‌ها و مشکلات موجود در این زمینه را از بین ببرند.

عنکبوت به صورت طبیعی به طور مداوم تارهای ابریشمی خود را تولید می‌کند و بدن او مانند یک دستگاه نخ‌ریسی و ابریشم‌بافی عمل می‌کند. در این میان میزان pH یا اسیدی بودن تار عنکبوت در گونه‌های مختلف این حیوان تغییر می‌کند و این طور که بررسی‌های علمی نشان داده‌اند میزان pH در تار عنکبوت از ۷.۶ تا ۵.۷ قابل تغییر است. عبارت ۷.۶ به معنی آن است که یون‌های موجود در تار این گونه عنکبوت‌ها در یک فضای بازی عمل می‌کنند و بیشتر منفی هستند. در بخش pH با غلظت ۵.۷ و کمتر از آن فضا کاملا اسیدی است و به عبارت دیگر می‌توان گفت یون‌های مثبت بیشتر شارژ می‌شوند. این نوع تغییر pH باعث می‌شود پروتئین‌ها شکل و ظاهر خود را تغییر دهند و در نتیجه پروتئین با قابلیت فعال‌سازی خودکار ایجاد شود. در مطالعات سال ۲۰۱۴ میلادی که نتایج ان در نشریه PLOS Biology به چاپ رسید، دانشمندان این مسئله را اثبات کردند. دانشمندان به صورت همزمان دریافتند مجرای تولید تار در عنکبوت تا اندازه‌ای شبیه به بخش چروک مغز عمل می‌کند و یک لوله باریک شبیه به نخاع در آن تعبیه شده است که فیبرها و الیاف در همین لوله تولید می‌شوند.

گروهی از محققان هم‌اکنون به این نتیجه رسیده‌اند که تقلید از نحوه فعالیت غدد اختصاصی عنکبوت برای تولید تار می‌تواند نتایج بهتری به دنبال داشته باشد و فرآیند تولید تارهای مصنوعی را آسان‌تر کند. دانشمندان همچنین به این نتیجه رسیدند که بخش‌های مختلفی که به صورت طبیعی در پروتئین‌های تار عنکبوت یافت می‌شوند، در گونه‌های مختلف عنکبوتیان متفاوت هستند و pH متفاوت دارند.

بر این اساس محققان ژن‌های موجود در اسپیدروین مربوط به دو عنکبوت متفاوت را با یکدیگر ترکیب کردند تا بتواند نوعی تار عنکبوت چندکاره موسوم به NT2RepCT را تولید کنند. این تار نوعی پروتئین جدید بسیار پیچیده را شامل می‌شود که بهترین خواص مربوط به اسپیدروینز از هر دو گونه عنکبوت را در خود جا داده است. این پروتئین مصنوعی قابلیت حلال بودن بالا را در خود جا داده است و نسبت به pH بسیار حساس است. دانشمندان سپس ژن مورد نظر خود را به پروتئین موجود در ابریشمی ترکیبی اضافه کردند و آن را در DNA نوعی باکتری مورد آزمایش قرار دادند. این فرآیند باعث شد باکتری پروتئین مورد نظر را با کیفیت بالا تولید کند.

دانشمندان در پایان موفق شدند به صورت آزمایشگاهی نوع ویژه‌ای از پروتئین‌های مربوط به تار عنکبوت را به صورت مصنوعی تولید کنند که تمام خاصیت‌های مورد نظر را شامل می‌شود و بر اساس گزارش‌های موجود، این نخستین بار است که تار عنکبوت مصنوعی با پروتئین یاد شده تا این اندازه مقاوم است و به تار طبیعی مشابهت دارد.