تولید تار عنکبوت مصنوعی با قدرت و انعطاف‌پذیری بالا در آزمایشگاه

وبسایت گجت نیوز - دانیال حجاری: انسان امروز قادر است تا آسمان خراش‌هایی به ارتفاع ابرها بسازد. می‌تواند هواپیماهایی تولید کند که حتی از صوت نیز سریعتر پرواز می‌‎‌کنند و در چند سال اخیر نیز موفق شده در کیلومترها زیر سطح زمین، شتاب‌دهنده‌های ذرات زیر اتمی را بنا کند. با این وجود، هنوز در علم بی‌نهایت مقصد برای رسیدن وجود دارند که انسان برای رسیدن به برخی از آن‌ها شدیدا در حال تلاش است. به عنوان نمونه، خانه محقر و کوچک عنکبوت، محققان را به حیرت انداخته و به همین دلیل آن‌ها مدت‌ها است که برای ساخت تار عنکبوت مصنوعی در تلاش هستند.

تاکنون تولید تار عنکبوت مصنوعی ، از نظر کمیت با مشکل مواجه بوده است

تارهای در هم بافته‌ای که عنکبوت برای به دام انداختن شکار و طعمه خود ایجاد می‌کند را باید به جرات یکی از شاهکارهای مهندسی در طبیعت دانست. وجب به وجب تار عنکبوت قادر است تا حجم عظیمی از انرژی را بدون از هم پاشیدن دریافت کند. تار عنکبوت از فولاد قویتر است، در حالی که انعطاف و کشسانی بیشتری نیز نسبت به لاستیک دارد. اکنون دانشمندان موفق شده‌اند تا ترکیبی از تار عنکبوت مصنوعی و حاوی بسیاری از خواص ماده طبیعی را بسازند.

گفتنی است این اولین باری نیست که محققین به تولید تار عنکبوت مصنوعی اقدام می‌کنند، اما در دفعات پیشین، تولید انبوه و در حجم وسیع محصول نهایی ممکن نبود. اکنون محققین می‌توانند در مقیاسی وسیع تار عنکبوت مصنوعی به دست آمده را تولید کرده و در اختیار صنایع مختلف به منظور استفاده‌های گوناگون قرار دهند.

سخت و چسبناک

تلاش برای ساخت تار عنکبوت مصنوعی شبیه به ماده واقعیف فعالیت تازه‌ای نیست. به عنوان نمونه در سال ۲۰۱۰، بنیاد ملی علوم ایالات متحده آمریکا در یک پروژه سرمایه‌گذاری کرد تا با استفاده از مهندسی ژنتیک شیر بز، اقدام به تولید تار عنکبوت مصنوعی و ماده‌ای شبیه به آن کنند. دیگر پروژه‌هایی نیز طی مدت زمان اخیر ایجاد شدند، اما مقصود نهایی آن‌ها به جای تولید تار عنکبوت مصنوعی ، در تولید انبوه پروتئین موجود در آن با نام اسپیدروئینس (Spidroins) در مخمر، باکتری و سلول‌های حشرات متمرکز شده بود.

در سال 2015 دانشمندان در یک مجله بیومتریال گزارش دادند که از اسپیدروئینس به دست آمده از بزهای تراریخته، برای هماهنگ‌سازی سلول‌های مغزی در حال رشد استفاده کرده‌اند. از آنجایی که عنکبوت‌ها اقلیمی بوده و به میزان کمی تار تولید می‌کنند، هر محصول صنعتی نیازمند به استفاده از تار عنکبوت، به اسپیدروئینس داراى صفات ارثى متشکل جدید و همچنین الیاف ابریشم (تار) عنکبوت مصنوعی وابسته است. با این حال، اسپیدروئینس‌ مهندسی و ساخته شده پیشین، از نظر بسیاری از فاکتورها با اسپیدروئینس موجود در تار عنکبوت یافت شده در طبیعت قابل مقایسه نبود.

پروتئین‌های تار عنکبوت مصنوعی ساخته شده به دست بشر، علاوه بر داشتن غلظت و تراکم پایین، به میزان بسیار بسیار کمی ایجاد می‌شدند، به همین دلیل استفاده از آن‌ها به صورت انبوه در صنایع مختلف به هیچ عنوان امکان‌پذیر نبود. آن‌ها همچنین به هم چسبیده و جداسازی‌شان با مشکلاتی مواجه بود، علاوه بر اینکه به سختی به صورت محلول در مایعات درمی‌آمدند. تار عنکبوت مصنوعی ایجاد شده در آزمایشگاه، در حالت ابتدایی خواص فیزیکی پایینی داشت و برای افزایش قابلیت‌های آن، محققین ناچار بودند تا مجددا اعمالی را بر روی تار عنکبوت مصنوعی ابتدایی انجام دهند.

در تحقیقات صورت گرفته بر روی ساختار بدن عنکبوت، مشخص شد این موجود به صورت طبیعی، تار را در مجراهای مخصوصی در بدن خود تولید می‌کند. نکته مهم اینجاست که پ هاچ (pH) یا همان میزان اسید ماده، در طول غدد تولید تار متفاوت بوده و به صورتی بسیار آرام از ۷.۶ (ازدیاد بار منفی یون‌های موجود) تا ۵.۷ (ازدیاد بار مثبت یون‌های موجود) تغیر پیدا می‌کند. تغییر در میزان پ هاچ، سبب می‌شود تا پروتئین‌ها در انتها تغییر شکل پیدا کرده و به ساختاری مرتب همانند یک قفل درب در هم چفت شده در بیایند.

در همین زمان، مجرایی که در بالای خود کمی شبیه به یک مغز چین و چروک دیده به نظر می‌رسد، به یک لوله باریک تبدیل شده و نیروی خالص موجود در آن، الیاف را به رشته تبدیل می‌کنند. به همین دلیل شاهدیم که تار عنکبوت همواره به صورت یک رشته بسیار نازک تولید شده و سپس موجود با ترکیب این رشته‌ها، ساختارهای بزرگ و کوچک مورد نظرش را می‌سازد.

تقلید مجراهای درون بدن عنکبوت

محققین به این فکر فرو رفتند که شاید تقلید ساختار و عملکرد غدد تولید تار در بدن عنکبوت، به بهبود وضعیت محصول نهایی کمک کند. گفتنی است محققین طی مطالعات خود، به این نتیجه رسیدند که پروتئین بخش‌های مختلف تار عنکبوت‌های گوناگون، پ هاچ‌های متفاوتی داشته و از نظر قابلیت حل‌شدن در مایعات نیز عملکرد غیر یکسانی دارند. با توجه به این موضوع، محققین تصمیم گرفتند تا ژن‌های اسپیدروئینس (پروتئین موجود در تار عنکبوت) گرفته شده از دو گونه متفاوت از عنکبوت را با یکدیگر ترکیب کرده و به این وسیله یک ژن هیبریدی (دو رگه) با نام NT۲RepCT تولید کنند. NT۲RepCT را باید یک پروتئین کاملا متفاوت دانست که بهترین خواص را از هر یک از دو نمونه اسپیدروئینس موجود به ارث برده است. NT۲RepCT شدیدا حلال در مایعات بوده و حساسیت بالایی را نسبت به پ هاچ نشان می‌دهد. آن‌ها ژن هیبریدی تولیدی را در درون دی ان ای (DNA) باکتری وارد کردند تا به این وسیله به ساختار پروتئین جدید و مورد نظرشان به منظور ایجاد تار عنکبوت مصنوعی دست پیدا کنند.

در نتیجه این اقدامات، پروتئین تار عنکبوت بسیار غلیظی به دست آمد که همانند پروتئین موجود در داخل تارهای تولید شده در غدد طبیعی، ابری و چسبناک بودند. در ادامه محققین با الهام گرفتن از ساختار بدن عنکبوت، ماده به دست آمده را از یک ظرف شیشه‌ای بسیار نازک و مویرگی عبور دادند تا به این وسیله فشار خالصی را که عنکبوت در بدن خود به الیاف برای تبدیل‌شدن به رشته وارد می‌کند، به صورت مصنوعی تقلید کنند. در نتیجه این فرآیند، هزار متر تار در قالب یک ظرف یک لیتری تولید شد. ژن NT2RepCT از لحاظ کیفیت و رفتار، تشابه زیادی به تار عنکبوت طبیعی داشته و تار عنکبوت مصنوعی تولید شده با آن، خاصیت ارتجاع بالایی را از خود به نمایش می‌گذارد. گفتنی است با وجود تشابه بالای تار عنکبوت مصنوعی ، دوام و مقاوت کششی آن هنوز در مقایسه با محصول طبیعی تولید شده در بدن عنکبوت پایینتر بوده و راحت‌تر از آن می‌شکند.