تولید یک ماده خارق‌العاده از عنکبوت و کرم ابریشم

فرادید: مطالعه و کپی کردن مدل‌ها، سیستم‌ها یا عناصرِ طبیعت برای مقابله با چالش‌های پیچیده انسانی به عنوان «بیومیمتیک» (زیست تقلید) شناخته می‌شود.

ابریشم عنکبوت گریزان

ما مدت‌هاست می‌دانیم ابریشم عنکبوت مادۀ قابل‌توجهی است، به گونه‌ای که الیاف مصنوعی توان تقلید از آن را ندارد. نایلون فوق العاده قوی است (می تواند نیروی زیادی را تحمل کند) و کولار فوق العاده سخت است (می‌تواند نیروی زیادی را جذب کند). اما هیچکدام هم قوی و هم سخت نیستند. در تمام الیاف پلیمری مصنوعی، استحکام و سختی متقابلاً خاص هستند، بنابراین ما بهترین ماده را برای این کار انتخاب کردیم. 

ابریشم عنکبوتی، این الیاف پلیمری طبیعی، این قانون را زیر پا میگذارد. ابریشم عنکبوتی به نوعی هم قوی و هم سخت است. پس جای تعجب نیست اگر  منبع مطالعات زیادی باشد.

با این حال، مشکل این است که پرورش عنکبوت‌ها بسیار سخت است. اگر آن‌ها را کنار هم بگذارید، به یکدیگر حمله میکنند تا زمانی که تنها یک یا چند عدد از آن‌ها زنده بمانند. شما باید به هر عنکبوت فضا و مرزهای خاص خودش را بدهید، پس برپایی چنین هتلی برای عنکبوت‌ها بسیار گران خواهد شد. از طرف دیگر کرم ابریشم صلح‌آمیز و مولد است، تمام روزش را صرف ساختن ابریشمی میکند که قرن‌هاست در منسوجات از آن استفاده میشود. اما ابریشمِ تولیدشده توسط کرم ابریشم شکننده است و کاربرد بسیار محدودی دارد. 

بنابراین، ترفند سودآور، مهندسی ژنتیکی یک کرم ابریشم برای تولید ابریشمی با کیفیت تار عنکبوت است. تاکنون تلاش‌ها برای رسیدن به این هدف، بی‌نتیجه مانده بود. اما حالا اوضاع فرق کرده است. 

کرم ابریشم عنکبوتی

جونپنگ می و همکارانش که در دانشگاه Donghua چین کار می‌کنند، از فناوری ویرایش ژن CRISPR برای رمزگذاری مجدد خواص ابریشم‌آفرینی کرم ابریشم استفاده کردند. نخست، ژن‌هایی را از Araneus ventricosus، یک عنکبوت گوی‌باف شرق آسیا که به خاطر تارهای قوی‌اش معروف است، گرفتند و آن‌ها را وارد سلول‌های تخم کرم ابریشم کردند. (این توصیف نمی‌تواند نشان دهد این کار چقدر وقت گیر، فنی و پر زحمت بوده است؛ روشی که به صدها هزار تزریق میکرونی نیاز دارد.) 

همه اینها قبلاً انجام شده بود و قبلاً با شکست مواجه شده بود. جایی که می‌ و تیمش موفق شدند، استفاده از مفهومی به نام محلی‌سازی بود. محلی‌سازی شامل محدود کردن در یک مکان بسیار خاص در ژنوم است. برای این آزمایش، تیمی از دانشگاه Donghua یک مدل ساختاری حداقلی از ابریشم کرم ابریشم را توسعه دادند که تغییرات ژنتیکی را هدایت میکرد. آن‌ها می‌خواستند مطمئن شوند پروتئین‌های ابریشم درستی را انتخاب کرده‌اند. نتیجه بسیار رضایت‌بخش بود؛ الیاف آن‌ها استحکام کششی قابل توجه (۱۲۹۹ مگاپاسکال) و سختی (۳۱۹ مگا ژول بر متر مکعب) از خود نشان دادند که ۶ برابر از سختی کولار بیشتر بود. 

دنیایی از ابرمواد 

تحقیقات می‌ نشاندهنده از میان برداشتن یک مانع است و راه‌های بسیار مهمی را برای مواد بیومیمتیک آینده باز می‌کند. همانطور که می‌ میگوید: «این دستاورد پیشگامانه به شکل موثر چالش‌های علمی، فنی و مهندسی را که مانع تجاری‌سازی ابریشم عنکبوت شده است را حل می‌کند و آن را به عنوان یک جایگزین مناسب برای الیاف سنتزشده تجاری مانند نایلون قرار میدهد و به پیشرفت تمدن زیست محیطی کمک می‌کند.» 

حدود ۶۰ درصد لباس‌های ما از الیاف مصنوعی مانند نایلون، پلی‌استر و اکریلیک ساخته می‌شوند. این پلاستیک‌ها برای ما مفید هستند، اما برای محیط زیست مضرند. آن‌ها سر از آبراه‌ها در می‌آورند و گاهی به حیات وحش آسیب میرسانند. تولید این الیاف، منبعی برای انتشار گازهای گلخانه‌ای است. حالا ما یک «جایگزین پایدار، سازگار با محیط زیست با استحکام بالا و فوق العاده سخت» داریم. ما می‌توانیم کرم‌های ابریشمی داشته باشیم که ابریشمی شش برابر کولار سفت‌تر و ده برابر نایلون قویتر می‌سازند. 

اما نباید از خود بیخود شویم. قرار نیست این پیشرفت یک شبه صنعت نساجی را متحول کند. کرم‌های ابریشم اصلاح‌شده ژنتیکی هنوز هم مقدار نسبتا کمی ابریشم تولید می‌کنند، حتی اگر میلیون‌ها عدد از آن‌ها پرورش داده شوند. اما، همانطور که خود می‌ تصدیق میکند، این تنها آغاز کار است. اگر تکنیک‌های بومی‌سازی و ساختار-مدل می‌ به همان اندازه که به نظر می‌رسند قابل توجه باشند، دریچه‌ای را به روی ابر-موادهای زیادی باز می‌کنند. 

طبیعت همچنان به الهام بخشی ادامه می‌دهد. ما چه رمز و رازهای جدیدی را در آینده کشف خواهیم کرد و از چه راه‌های هیجان‌انگیزی جهان را تغییر خواهیم داد؟