Wielu naukowców pragnie odkryć niezwykłą zdolność pająków do przędzenia jedwabnych nici, które są niezwykle mocne, lekkie i elastyczne.
W rzeczywistości pajęczy jedwab jest mocniejszy niż stal i twardszy niż kevlar. Jednak nikomu nie udało się jeszcze odtworzyć pracy pająków. Jeśli kiedykolwiek uda nam się opracować syntetyczny odpowiednik o tych właściwościach, otworzy się zupełnie nowy świat możliwości: sztuczny jedwab pajęczy mógłby zastąpić w przemyśle materiały takie jak kevlar, poliester i włókno węglowe i być stosowany na przykład do wytwarzania lekkości i elastyczności kamizelki kuloodporne.
Biofizyk Irina Iachina z Wydziału Biochemii i Biologii Molekularnej Uniwersytetu Południowej Danii (SDU) biorą udział w wyścigu mającym na celu odkrycie przepisu na superjedwab. Jedwab pajęczy fascynuje ją od czasów studiów magisterskich na SDU, a obecnie prowadzi badania nad tym tematem w Massachusetts Institute of Technology w Bostonie przy wsparciu Fundacji Villum. W ramach swoich badań współpracuje z profesorem nadzwyczajnym i biofizykiem Jonathanem Brewerem z SDU, który jest ekspertem w korzystaniu z różnych typów mikroskopów do zaglądania do struktur biologicznych.
Wspólnie po raz pierwszy zbadali wewnętrzne części jedwabiu pajęczego za pomocą mikroskopu optycznego, bez konieczności cięcia lub otwierania jedwabiu w jakikolwiek sposób. Wyniki tej pracy opublikowano obecnie w czasopismach Scientific Reports i Scanning.
„Zastosowaliśmy kilka zaawansowanych technik mikroskopowych, a także opracowaliśmy nowy rodzaj mikroskopu optycznego, który pozwala nam zajrzeć do kawałka włókna i zobaczyć, co jest w środku” – wyjaśnia Jonathan Brewer.
Jak dotąd jedwab pajęczy analizowano przy użyciu różnych technik, a każda z nich dostarczyła nowych informacji. Jednakże techniki te mają również wady, jak zauważa Jonathan Brewer, ponieważ często wymagają one przecięcia jedwabnej nici (zwanej także włóknem) w celu uzyskania przekroju poprzecznego do badania mikroskopowego lub zamrożenia próbek, co może zmienić strukturę z włókien jedwabiu.
„Chcieliśmy zbadać czyste i niepoddane manipulacji włókna, które nie zostały pocięte, zamrożone ani w żaden sposób zmanipulowane” – mówi Irina Iachina.
W tym celu duet badawczy zastosował mniej inwazyjne techniki, takie jak spójne rozpraszanie ramanowskie anty-Stokesa, mikroskopia konfokalna, ultrarozdzielcza mikroskopia zubożenia fluorescencji z odbiciem konfokalnym, skaningowa mikroskopia helowo-jonowa i rozpylanie helowo-jonowe.
Różne badania wykazały, że włókno jedwabiu pająka składa się z co najmniej dwóch zewnętrznych warstw lipidów, tj. tłuszczów. Za nimi, wewnątrz włókna, znajdują się liczne tak zwane włókienka biegnące w prostym, ciasno upakowanym układzie obok siebie (patrz ilustracja). Włókna mają średnicę w zakresie od 100 do 150, czyli poniżej granicy tego, co można zmierzyć za pomocą zwykłego mikroskopu świetlnego.
Proponowana struktura jedwabiu pajęczego
Iachina i Brewer pracują z włóknami jedwabiu pochodzącego od złotego pająka tkacza Nephila Madagascariensis, który wytwarza dwa różne rodzaje jedwabiu: jeden, zwany MAS (Major Ampullate Silk fibres), służy do budowy pajęczej sieci i jest także jedwab, na którym pająk się trzyma. Irina Iachina nazywa to liną ratunkową pająka — jest bardzo mocna i ma średnicę około 10 mikrometrów. Drugi, zwany MiS (Minor Ampullate Silk fibres), służy jako materiał pomocniczy w konstrukcji. Jest bardziej elastyczny i zazwyczaj ma średnicę 5 mikrometrów.
Z analizy duetu wynika, że jedwab MAS zawiera włókienka o średnicy około 145 nanometrów. Dla MiS jest to około 116 nanometrów. Każde włókienko składa się z białek, a zaangażowanych jest kilka różnych białek. Białka te są wytwarzane przez pająka podczas tworzenia włókien jedwabiu.
Zrozumienie, w jaki sposób mogą wytwarzać tak mocne włókna, jest ważne, ale ich wyprodukowanie jest również trudne. Dlatego badacze w tej dziedzinie często polegają na pająkach, które produkują dla nich jedwab.
Alternatywnie mogą zwrócić się ku metodom obliczeniowym, nad czym obecnie pracuje Irina Iachina w MIT: „W tej chwili prowadzę symulacje komputerowe tego, jak białka przekształcają się w jedwab. Celem jest oczywiście nauczenie się wytwarzania sztucznego jedwabiu pajęczego, ale interesuje mnie także przyczynienie się do lepszego zrozumienia otaczającego nas świata” – mówi.
Bibliografia:
„Nanoscale imaging of major and minor ampullate silk from the orb-web spider Nephila Madagascariensis” by Irina Iachina, Jacek Fiutowski, Horst-Günter Rubahn, Fritz Vollrath and Jonathan R. Brewer, 24 April 2023, Scientific Reports.
DOI: 10.1038/s41598-023-33839-z
„Helium Ion Microscopy and Sectioning of Spider Silk” by Irina Iachina, Jonathan R. Brewer, Horst-Günter Rubahn and Jacek Fiutowski, 22 May 2o23, Scanning. DOI: 10.1155/2023/2936788
➔ Obserwuj nas w Google News, aby być na bieżąco!
źródło: SciTechDaily
Od 2005 roku zajmuję się komunikacją internetową i e-marketingiem, jestem pasjonatem urządzeń mobilnych oraz nowych technologii – i nie waham się ich używać.