تارعنکبوت، قوی‌تر از فولاد، سخت‌تر از کولار

محققان قبلاً می‌دانستند که کشیدن تار‌ها برای ساخت الیافی واقعاً قوی ضروری است؛ اما کسی چرایی آن را نمی‌دانست. ما با روش محاسباتی‌مان، توانستیم آنچه در مقیاس نانو اتفاق می‌افتد را بررسی کنیم و به بینش‌هایی دست‌یابیم که به‌طور تجربی قابل‌مشاهده نیستند

کد خبر: ۶۹۳۸۱۲

تاریخ: ۲۶ اسفند ۱۴۰۳ - ۰۶:۰۰

به گزارش صراط نیوز، عنکبوت‌ها فقط تار نمی‌تنند، بلکه در حقیقت آنها را مهندسی می‌کنند. آنها در حین تنیدن تار، با کشش تار‌ها به تقویت این الیاف در سطح مولکولی پرداخته، پروتئین‌هایش را هم‌تراز می‌کنند و پیوند‌هایی اضافی تشکیل می‌دهند که باعث دوام حیرت‌انگیز تارهایشان می‌شود.

حالا دانشمندان با استفاده از شبیه‌سازی‌های محاسباتی و تست‌های آزمایشگاهی این راز را کشف کرده‌اند و همین، راه را برای تولید این تار‌ها از طریق مهندسی زیستی برای کاربرد‌های متفاوتی از بخیه‌های پزشکی گرفته تا زره‌های قوی بدن هموار کرده است.

تقویت تار‌ها با کشش
هنگامی‌که عنکبوت‌ها تار می‌تنند، از پا‌های عقبشان برای بیرون کشیدن این تار‌ها از اندام تار ریسی خود استفاده می‌کنند. این عمل کشش، چیزی فراتر از آزادسازی تارهاست و درعین‌حال باعث تقویت الیاف و درنهایت بادوام‌تر شدن آنها می‌شود.

مطالعه انجام‌شده در دانشگاه نورث وسترن نشان می‌دهد که حرکات کششی چگونه چنین نقش مهمی را ایفا می‌کنند. محققان با استفاده از شبیه‌سازی‌های کامپیوتری دریافتند که با کشش تار‌های عنکبوت، زنجیره‌های پروتئینی آنها در یک راستا قرار می‌گیرند و پیوند‌های مولکولی بیشتری بین آنها شکل می‌گیرد. این تغییرات الیاف را به‌طور قابل‌توجهی قوی‌تر و سخت‌تر می‌کند.

مهندسی سخت و تار‌های همه‌کاره
اعضای این تیم برای تأیید یافته‌هایشان، با استفاده از تارعنکبوت مهندسی‌شده، تست‌های آزمایشگاهی متعددی انجام دادند که نتایج آنها به دانشمندان کمک می‌کند تا مواد پیشرفته‌ای با الهام گرفتن از تار‌های عنکبوت برای مصارف مختلفی، از بخیه‌های جراحی زیست‌تخریب‌پذیر گرفته تا زره‌های بدن فوق‌العاده سخت، تولید کنند.

سینان کتن، نویسنده ارشد این مطالعه گفت: «محققان قبلاً می‌دانستند که کشیدن تار‌ها برای ساخت الیافی واقعاً قوی ضروری است؛ اما کسی چرایی آن را نمی‌دانست. ما با روش محاسباتی‌مان، توانستیم آنچه در مقیاس نانو اتفاق می‌افتد را بررسی کنیم و به بینش‌هایی دست‌یابیم که به‌طور تجربی قابل‌مشاهده نیستند. حالا می‌توانیم بررسی کنیم که طراحی چگونه با خواص مکانیکی ابریشم ارتباط دارد.»

عنکبوت‌ها: استادان طبیعی طراحی تار
جاکوب گراهام یکی از نویسنده‌های این مطالعه گفت: «عنکبوت‌ها فرآیند طراحی را به‌طور طبیعی انجام می‌دهند. آنها از پا‌های عقبشان برای گرفتن الیاف و بیرون کشیدن آن از غدد تار استفاده می‌کنند. همین باعث کشش فیبر در هنگام تشکیل می‌شود و آن را بسیار قوی و الاستیک می‌کند. ما دریافتیم که می‌توان خواص مکانیکی فیبر را به‌سادگی از طریق تغییر میزان کشش تغییر داد.»

مدت‌هاست که محققان به دلیل خواص قابل‌توجه تارعنکبوت‌ها، به آن علاقه‌مند بوده‌اند: تار‌هایی قوی‌تر از فولاد و سخت‌تر از کولار که مثل لاستیک کششی است؛ اما ازآنجاکه پرورش عنکبوت برای دستیابی به تار طبیعی آنها گران، انرژی‌بر و دشوار است، دانشمندان به دنبال بازآفرینی این تار‌های ابریشم مانند در محیط‌های آزمایشگاهی هستند.

گراهام دراین‌باره گفت: «تارعنکبوت قوی‌ترین فیبر ارگانیک است و مزیت زیست‌تخریب‌پذیر بودن دارد؛ بنابراین ماده ایده‌آلی برای کاربرد‌های پزشکی است که می‌توان از آن برای بخیه‌های جراحی و ژل‌های چسبنده برای بستن زخم استفاده کرد؛ چون به‌صورت طبیعی و بی‌ضرر در بدن تخریب می‌شود.»

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

شبیه‌سازی میزان کشش: علم پشت قدرت
محققان باوجودی که توانستند تا فرمول تولید تار عنکبوت را کشف کنند، 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 را برای شبیه‌سازی دینامیک مولکولی در تار‌های مصنوعی تولیدشده 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 ببینند چگونه کشش ترتیب پروتئین‌ها، اتصال پروتئین‌ها به یکدیگر و حرکت مولکول‌ها در الیاف را تغییر می‌دهد.

آنها درنهایت دریافتند که کشش باعث می‌شود پروتئین‌ها به هم ردیف شوند و همین قدرت کلی فیبر را افزایش می‌دهد و درعین‌حال با کشش، تعداد پیوند‌های هیدروژنی که برای تشکیل فیبر، مثل پل بین زنجیره‌های پروتئینی 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: «وقتی 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 بیشتر 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 باعث ایجاد الیاف کمتری می‌شوند که به نیروی بیشتری برای شکستن نیاز دارند.»

گراهام قبلاً فکر می‌کرد عنکبوت‌ها فقط نوعی جاندار هستند ولی حالا به پتانسیل این جانوران کوچک برای کمک به حل مشکلات واقعی پی برده است. او دراین‌باره توضیح داد: «تارعنکبوت مهندسی‌شده، جایگزینی قوی‌تر و زیست تخریب پذیرتری 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 به چشم من، مزاحم بودند ولی حالا برایم منبعی جذابند.»