دانشمندان برای مدت‌ها به دنبال درک علت مقاومت فوق‌العاده ابریشم عنکبوت بودند، رشته‌ای که از فولاد قوی‌تر و از الیاف فوق مستحکم کولار (Kevlar) سخت‌تر است. پژوهشی جدید از دانشگاه نورث‌وسترن نشان می‌دهد که کشیدن و کشیدگی ابریشم هنگام تولید توسط عنکبوت نقش کلیدی در استحکام آن دارد. این یافته‌ها می‌توانند راه را برای تولید مصنوعی این ماده برای کاربردهای پزشکی، زره‌های فوق‌العاده قوی، و مواد زیست‌تجزیه‌پذیر باز کنند.
راز قدرت ابریشم عنکبوت: کشیدگی در حین تولید
هنگامی که عنکبوت‌ها تار خود را می‌بافند، با استفاده از پاهای عقبی، الیاف را از غدد ابریشم خود بیرون می‌کشند. این فرآیند نه تنها ابریشم را آزاد می‌کند، بلکه باعث کشیدگی پروتئین‌های درون الیاف و ایجاد پیوندهای مولکولی بیشتر می‌شود. این تغییرات در سطح نانومتری باعث افزایش مقاومت و انعطاف‌پذیری تار عنکبوت می‌شود.
اعتبار: دانشگاه واشنگتن در سنت لوئیس
محققان دانشگاه نورث‌وسترن با استفاده از شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای و آزمایش‌های آزمایشگاهی نشان دادند که هرچه میزان کشیدگی الیاف بیشتر باشد، استحکام و مقاومت آن افزایش می‌یابد. این پژوهش نشان می‌دهد که موقعیت و چیدمان پروتئین‌ها هنگام کشیدگی نقش کلیدی در عملکرد مکانیکی الیاف دارد.
تولید ابریشم مصنوعی: راهی برای استفاده صنعتی و پزشکی
با وجود خواص فوق‌العاده، تولید انبوه ابریشم طبیعی عنکبوت بسیار پرهزینه و دشوار است، زیرا پرورش عنکبوت‌ها برای تولید انبوه این ماده امکان‌پذیر نیست. بنابراین، محققان در تلاش‌اند که مواد مشابه را در محیط آزمایشگاهی بسازند. در این پژوهش، گروهی از دانشگاه واشنگتن از میکروب‌های مهندسی‌شده ژنتیکی برای تولید پروتئین‌های مشابه ابریشم عنکبوت استفاده کردند. سپس، آن‌ها این الیاف را با دست کشیدند تا خواصی مشابه ابریشم طبیعی ایجاد کنند.
شبیه‌سازی مولکولی: درک چگونگی افزایش استحکام
برای فهم بهتر این فرآیند، محققان از مدل‌سازی رایانه‌ای برای شبیه‌سازی تغییرات ساختاری پروتئین‌های ابریشم در هنگام کشیدگی استفاده کردند. یافته‌ها نشان داد که با افزایش کشیدگی، پروتئین‌ها مرتب‌تر شده و پیوندهای هیدروژنی بیشتری میان آن‌ها ایجاد می‌شود. این پیوندها مانند پل‌هایی بین زنجیره‌های پروتئینی عمل کرده و استحکام و انعطاف‌پذیری الیاف را به طور هم‌زمان افزایش می‌دهند.
به گفته جاکوب گراهام، دانشجوی دکتری و نویسنده اصلی این پژوهش، الیاف تازه تولید شده بسیار ضعیف‌اند، اما با کشیدگی تا شش برابر طول اولیه، فوق‌العاده قوی می‌شوند.
آزمایش و تأیید نتایج در محیط آزمایشگاهی
برای تأیید این یافته‌های نظری، تیم تحقیقاتی از تکنیک‌های طیف‌سنجی و آزمایش‌های کششی روی نمونه‌های واقعی ابریشم استفاده کرد. این آزمایش‌ها نشان داد که اگر الیاف کشیده نشوند، ساختار پروتئین‌ها نامرتب و توده‌ای است، اما کشیدگی باعث تبدیل این ساختار به یک شبکه متصل و منظم می‌شود که استحکام بیشتری دارد.
چشم‌انداز آینده: کاربردهای ابریشم مصنوعی
با توجه به قدرت، کشسانی، و زیست‌تجزیه‌پذیری ابریشم عنکبوت، این ماده گزینه‌ای ایده‌آل برای بخیه‌های جراحی، چسب‌های زخم، و زره‌های سبک و مقاوم است. توسعه مواد مصنوعی بر پایه این پژوهش می‌تواند جایگزینی برای پلاستیک‌های نفتی و سایر مواد صنعتی پرهزینه و آلاینده باشد.
این مطالعه که در ژورنال Science Advances منتشر شده، با حمایت بنیاد ملی علوم آمریکا انجام شده است و می‌تواند راهگشای توسعه مواد مهندسی‌شده زیستی با عملکردی بی‌نظیر باشد.
