تلاش دانشمندان برای تقلید از ساختار تار عنکبوت

دانشمندان به امید اینکه بتوانند چیزی شبیه به تار عنکبوت بسازند، از میکروسکوپ برای بررسی میزان سختی تار عنکبوت استفاده می‌کنند.

به گزارش ایسنا و به نقل از آی‌ای، تار عنکبوت مدت‌هاست که دانشمندان را با خواص شگفت‌انگیز خود متحیر کرده است، اما مطالعه آن بدون آسیب رساندن به آن همواره یک چالش بوده است. اکنون دانشمندان مؤسسه فناوری ماساچوست موفق شده‌اند با استفاده از میکروسکوپ به بافت واقعی این ماده نگاه کنند.

تار عنکبوت شبکه‌ای از رشته‌های پروتئینی است که توسط عنکبوت‌ها تنیده می‌شود. این پروتئین سرشار از آمینو اسیدهای آلانین و گلیسین است. بیشتر رشته‌های پلی پپتیدی سازنده این پروتئین، به صورت صفحات بتا آرایش یافته‌اند. این صفحات در زمینه‌ای از رشته‌های آمینو اسید به صورت صفحات آلفا جای گرفته‌اند. مارپیچ‌های آلفا با بی‌نظمی زیادی به هم پیچیده‌اند و همین بی‌نظمی باعث خاصیت کشسانی تار می‌شود. یکی از ویژگی‌های جالب تار عنکبوت این است که مقدار زیادی نمک و مواد ضد باکتری و ضد قارچ دارد که در برابر حمله باکتری‌ها و قارچ‌ها از آن محافظت می‌کند.

همه عنکبوتان تار می‌تنند که معمولاً به صورت رشته‌ای پروتئینی از غده‌های تارتنِ انتهای شکم‌شان ترشح می‌شود. این تارها ابتدا به صورت مایع هستند و به شکل نخ نازکی از بدن عنکبوت خارج می‌شوند و سپس در تماس با هوا خشک شده و مانند نخ می‌شوند.

قطر تار عنکبوت حدود یک دهم تار موی انسان است. این تارهای صاف و شفاف، بسیار نرم و سبک و در عین حال بسیار مقاوم هستند و حتی می‌توان گفت تار عنکبوت از فولاد هم سخت‌تر است.

این مطالعه توسط دو زیست‌فیزیکدان به نام ایرینا ایاکینا و جاناتان بروئر هدایت شده است.

بروئر توضیح داد: ما از چندین تکنیک میکروسکوپی پیشرفته استفاده کرده‌ایم و همچنین نوع جدیدی از میکروسکوپ نوری را ایجاد کرده‌ایم که به ما امکان می‌دهد به عمق یک تار نگاه کنیم و ساختار داخلی آن را تجسم کنیم.

مطالعات قبلی از روش‌هایی استفاده می‌کردند که مستلزم برش دادن الیاف تار عنکبوت بود که به هر حال ساختار طبیعی تار و همچنین به طور بالقوه نتایج را تغییر می‌داد.

ایاکینا می‌گوید: ما آرزو داشتیم این الیاف خالص و منحصر به فرد را بررسی کنیم، در حالی که به هیچ وجه بریده، منجمد یا دستکاری نشده باشد.

این دو پژوهشگر برای دستیابی به این هدف از روش‌های طیف‌بینی رامان ضد استوکس همدوس(Coherent Anti-Stokes Raman Scattering, Confocal Microscopy)، میکروسکوپ هم‌کانونی(Confocal Microscopy)، میکروسکوپ هم‌کانونی کاهش انعکاس فلورسانس با وضوح فوق العاده(Ultra-resolution Confocal Reflection Fluorescence Depletion Microscopy)، میکروسکوپ روبشی یون هلیوم(Scanning Helium Ion Microscopy) و پاشش یون هلیوم(Helium Ion Sputtering) استفاده کردند.

نتایج این کار نشان داد که الیاف تار عنکبوت حداقل از دو لایه لیپیدی بیرونی و چندین رشته یا فیبریل(fibril) محکم قرار گرفته در یک آرایش خطی تشکیل شده است.

ایاکینا می‌گوید: فیبریل‌ها به طور خاص در یک پیکربندی خاص هستند. آن‌طور که ما تصور می‌کردیم پیچ خورده نیستند و این به ما نشان می‌دهد که هنگام ایجاد تار عنکبوت مصنوعی، نیازی به پیچاندن آنها نیست.

اما کار پژوهشگران به همین جا ختم نشد. این تیم همچنین شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای را برای درک تبدیل پروتئین‌ها به تار انجام می‌دهند تا این فرآیند را بازسازی کنند.

ایاکینا می‌گوید: در حال حاضر، من غرق در شبیه‌سازی رایانه‌ای تبدیل پروتئین به تار هستم. هدف اصلی به طور طبیعی، تعیین چگونگی سنتز تار عنکبوت مصنوعی است. اما فراتر از این، من عمیقاً متعهد به پرورش درک گسترده‌تری از دنیایی هستم که در آن زندگی می‌کنیم.

این پژوهش ممکن است منجر به معرفی مواد جدید مشابه و شاید حتی بهتر از تار عنکبوت شود.

دانشمندان دانشگاه واشنگتن در ژوئیه سال ۲۰۲۱ نوعی تار مصنوعی ساختند که از تار واقعی قوی‌تر بود.

آنها برای دستیابی به این پیشرفت، باکتری‌ها را در آزمایشگاه مهندسی ژنتیک کردند تا بتوانند پروتئین‌های هیبریدی آمیلوئیدی تار عنکبوت را تولید کنند. یکی از کلیدهای دستیابی به این نسخه، یافتن چگونگی افزودن مقدار لازم نانوبلور به تار مصنوعی بود.

فوژونگ ژانگ، پژوهشگر ارشد این مطالعه در آن زمان، توضیح داد که چگونه او و تیمش این فرآیند را با موفقیت تقلید کردند. وی گفت: عنکبوت‌ها دریافته‌اند که چگونه این الیاف را با مقدار مطلوبی از نانوبلورها بپیچانند.