Ο Spider-Man είναι ένας από τους πιο αγαπημένους σούπερ ήρωες σε όλον τον κόσμο. Παιδιά από όλες τις χώρες του πλανήτη φαντάζονται τον εαυτό τους να φορούν την μάσκα του Spidey, να αναρριχιόνται σε κτίρια και να «πετούν» χρησιμοποιώντας τον ιστό.
Μπορεί να μην υπάρχει -ακόμα- ραδιενεργή αράχνη που να δίνει, με ένα της τσίμπημα, υπερδυνάμεις σε έναν κανονικό άνθρωπο, αλλά ο ιστός του Spider-Man φαίνεται ότι έγινε πραγματικότητα.
Ερευνητές κατάφεραν να δημιουργήσουν μια συσκευή που περιστρέφει τεχνητό μετάξι αράχνης που είναι σε μεγάλο βαθμό ισοδύναμο με το μετάξι που παράγουν φυσικά οι αράχνες. Ο αδένας τεχνητού μεταξιού μπόρεσε να αναδημιουργήσει την πολύπλοκη μοριακή δομή του μεταξιού μιμούμενος τις διάφορες χημικές και φυσικές αλλαγές που συμβαίνουν φυσικά στον αδένα μεταξιού μιας αράχνης.
Αυτή η φιλική προς το περιβάλλον καινοτομία είναι ένα μεγάλο βήμα προς τη βιωσιμότητα και θα μπορούσε να επηρεάσει αρκετές βιομηχανίες. Η μελέτη, με επικεφαλής τον Keiji Numata του Κέντρου RIKEN για την Επιστήμη των Βιώσιμων Πόρων στην Ιαπωνία, μαζί με συναδέλφους του από το RIKEN Pioneering Research Cluster, δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Communications.
Το μετάξι της αράχνης
Φημισμένο για τη δύναμη, την ευκαμψία και το μικρό του βάρος, το μετάξι αράχνης έχει αντοχή σε εφελκυσμό συγκρίσιμη με χάλυβα της ίδιας διαμέτρου και απαράμιλλη αναλογία αντοχής προς βάρος. Επιπλέον, είναι βιοσυμβατό, που σημαίνει ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ιατρικές εφαρμογές, καθώς και βιοδιασπώμενο.
Γιατί, λοιπόν, δεν είναι όλα φτιαγμένα από μετάξι αράχνης; Η μεγάλης κλίμακας συγκομιδή μεταξιού από αράχνες έχει αποδειχθεί ανέφικτη για διάφορους λόγους, οδηγώντας τους επιστήμονες να αναπτύξουν έναν τρόπο παραγωγής του στο εργαστήριο.
Το μετάξι της αράχνης είναι μια βιοπολυμερής ίνα που κατασκευάζεται από μεγάλες πρωτεΐνες με εξαιρετικά επαναλαμβανόμενες αλληλουχίες, οι οποίες ονομάζονται spidroins. Μέσα στις μεταξωτές ίνες υπάρχουν μοριακές υποδομές που ονομάζονται β-φύλλα (beta sheets), τα οποία πρέπει να είναι σωστά ευθυγραμμισμένα για να έχουν οι μεταξωτές ίνες τις μοναδικές μηχανικές τους ιδιότητες.
Η αναδημιουργία αυτής της πολύπλοκης μοριακής αρχιτεκτονικής έχει προκαλέσει σύγχυση στους επιστήμονες εδώ και χρόνια. Αντί να προσπαθήσουν να επινοήσουν τη διαδικασία από το μηδέν, οι επιστήμονες του RIKEN υιοθέτησαν μια προσέγγιση βιομιμητισμού.
Όπως εξηγεί ο Keiji Numata, «σε αυτή τη μελέτη, προσπαθήσαμε να μιμηθούμε τη φυσική παραγωγή μεταξιού αράχνης χρησιμοποιώντας μικρορευστομηχανική, η οποία περιλαμβάνει τη ροή και το χειρισμό μικρών ποσοτήτων υγρών μέσω στενών καναλιών. Πράγματι, θα μπορούσαμε να πούμε ότι ο αδένας του μεταξιού της αράχνης λειτουργεί ως ένα είδος φυσικής μικρορευστομηχανικής συσκευής».
Η πρωτοποριακή συσκευή
Η συσκευή που ανέπτυξαν οι ερευνητές μοιάζει με ένα μικρό ορθογώνιο κουτί με μικροσκοπικά κανάλια αυλακωμένα σε αυτό. Στο ένα άκρο τοποθετείται διάλυμα πρόδρομης spidroin και στη συνέχεια τραβιέται προς το άλλο άκρο με τη βοήθεια αρνητικής πίεσης.
Καθώς οι spidroins ρέουν μέσα από τα μικρορευστικά κανάλια, εκτίθενται σε ακριβείς αλλαγές στο χημικό και φυσικό περιβάλλον, οι οποίες καθίστανται δυνατές χάρη στον σχεδιασμό του μικρορευστικού συστήματος. Υπό τις κατάλληλες συνθήκες, οι πρωτεΐνες αυτοσυναρμολογούνται σε μεταξωτές ίνες με τη χαρακτηριστική σύνθετη δομή τους.
Οι ερευνητές πειραματίστηκαν για να βρουν αυτές τις σωστές συνθήκες και τελικά μπόρεσαν να βελτιστοποιήσουν τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των διαφόρων περιοχών του μικρορευστικού συστήματος. Μεταξύ άλλων, ανακάλυψαν ότι η χρήση δύναμης για να ωθήσουν τις πρωτεΐνες δεν λειτουργούσε– μόνο όταν χρησιμοποιούσαν αρνητική πίεση για να τραβήξουν το διάλυμα σπινδροΐνης μπορούσαν να συναρμολογηθούν συνεχείς μεταξωτές ίνες με τη σωστή αποκαλυπτική ευθυγράμμιση των φύλλων βήτα.
«Ήταν εκπληκτικό το πόσο ανθεκτικό ήταν το μικρορευστικό σύστημα, μόλις καθιερώθηκαν και βελτιστοποιήθηκαν οι διάφορες συνθήκες» ανέφερε ο επιστήμονας Ali Malay, ένας από τους συν-συγγραφείς της δημοσίευσης. «Η συναρμολόγηση των ινών ήταν αυθόρμητη, εξαιρετικά γρήγορη και εξαιρετικά αναπαραγώγιμη. Το σημαντικό είναι ότι οι ίνες παρουσίασαν την ξεχωριστή ιεραρχική δομή που συναντάται στις φυσικές μεταξωτές ίνες».
Η δυνατότητα τεχνητής παραγωγής μεταξωτών ινών με αυτή τη μέθοδο θα μπορούσε να προσφέρει πολλά οφέλη. Όχι μόνο θα μπορούσε να συμβάλει στη μείωση των αρνητικών επιπτώσεων που έχει στο περιβάλλον η σημερινή παραγωγή κλωστοϋφαντουργικών προϊόντων, αλλά η βιοδιασπώμενη και βιοσυμβατή φύση του μεταξιού της αράχνης το καθιστά ιδανικό για βιοϊατρικές εφαρμογές, όπως ράμματα και τεχνητούς συνδέσμους.
«Ιδανικά, θέλουμε να έχουμε αντίκτυπο στον πραγματικό κόσμο», λέει ο Numata. «Για να συμβεί αυτό, θα πρέπει να επεκτείνουμε τη μεθοδολογία παραγωγής ινών και να την κάνουμε συνεχή διαδικασία. Θα αξιολογήσουμε επίσης την ποιότητα του τεχνητού μας μεταξιού αράχνης χρησιμοποιώντας διάφορες μετρήσεις και θα κάνουμε περαιτέρω βελτιώσεις από εκεί και πέρα».