Çelikten Daha Güçlü ve Kevlar’dan Daha Sağlam – Bilim Adamları Dünyanın En Güçlü Örümcek İpeğine Yeni Bir Işık Tuttu

Güney Danimarka Üniversitesi’nden biyofizikçi Irina Iachina, altın küre şeklindeki bir örümceğin ürettiği ipek lifini tutuyor. Katkıda bulunan kişi: Anders Boe/Güney Danimarka Üniversitesi

Çok sayıda bilim insanı, örümceklerin son derece güçlü, hafif ve esnek ipek iplikleri döndürme konusundaki olağanüstü yeteneğini ortaya çıkarmayı amaçlıyor. Aslında örümcek ipeği pound başına çelikten daha güçlü ve Kevlar’dan daha serttir. Ancak henüz hiç kimse örümceklerin çalışmasını kopyalayamadı.

Bu özelliklere sahip sentetik bir eşdeğer geliştirmeyi başarırsak, yepyeni bir olasılıklar dünyası açılabilir: Yapay örümcek ipeği, aşağıdaki gibi malzemelerin yerini alabilir: Kevlar, polyester ve karbon elyafı endüstrilerde kullanılabilir ve örneğin hafif ve esnek kurşun geçirmez yeleklerin yapımında kullanılabilir.

Güney Danimarka Üniversitesi (SDU) Biyokimya ve Moleküler Biyoloji Bölümü’nden doktora sonrası ve biyofizikçi Irina Iachina ), süper ipeğin tarifini ortaya çıkarmak için bu yarışa katılıyor. SDU’da yüksek lisans öğrencisi olduğu dönemden bu yana örümcek ipeğine hayran kalmıştır ve şu anda Villum Vakfı’nın desteğiyle Boston’daki Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nde konu üzerinde araştırma yapmaktadır.

{ 9}Güney Danimarka Üniversitesi’nden biyofizikçi Irina Iachina, bilgisayarda örümcek ipeği üzerinde çalışıyor. Katkıda bulunan: Anders Boe/Güney Danimarka Üniversitesi

Araştırmasının bir parçası olarak, SDU’da çeşitli mikroskop türlerini kullanma konusunda uzman olan doçent ve biyofizikçi Jonathan Brewer ile işbirliği yapıyor. biyolojik yapılar.

Şimdi birlikte, ilk kez, ipeği herhangi bir şekilde kesmeden veya açmadan, optik bir mikroskop kullanarak örümcek ipeğinin iç kısımlarını incelediler. Bu çalışma artık Scientific Reports ve Scanning dergilerinde yayınlandı.

“Birkaç gelişmiş mikroskopi tekniği kullandık ve aynı zamanda bir nesnenin içine kadar bakmamıza olanak tanıyan yeni bir tür optik mikroskop da geliştirdik. Jonathan Brewer şöyle açıklıyor: “Altın küre ağ örümceği, ipeğini arka ucundan üretiyor. Katkıda bulunan: Anders Boe/Güney Danimarka Üniversitesi

Şu ana kadar örümcek ipeği çeşitli teknikler kullanılarak analiz edildi ve bunların tümü yeni bilgiler sağladı. Bununla birlikte, Jonathan Brewer’ın işaret ettiği gibi, bu tekniklerin dezavantajları da vardır; çünkü mikroskopik inceleme için bir kesit elde etmek için genellikle ipek ipliğin (lif olarak da adlandırılır) açık olarak kesilmesini veya numunelerin dondurulmasını gerektirir, bu da yapıyı değiştirebilir. ipek lifleri.

Irina Iachina, “Kesilmemiş, dondurulmamış veya herhangi bir şekilde değiştirilmemiş, saf ve işlenmemiş lifler üzerinde araştırma yapmak istedik” diyor.

Bu amaçla, araştırma ikilisi, Tutarlı Anti-Stokes Raman Saçılımı, Eş Odaklı Mikroskopi, Ultra Çözünürlüklü Eş Odaklı Yansıma Floresan Tüketimi Mikroskobu, Taramalı Helyum İyon Mikroskobu ve Helyum İyon Püskürtme gibi daha az invazif teknikler kullandı.

Farklı çalışmalar, örümceğin ipek lifi en az iki dış lipit katmanından, yani yağlardan oluşur. Bunların arkasında, lifin içinde düz, sıkı bir şekilde yan yana dizilmiş çok sayıda sözde fibril bulunur (resme bakın). Fibrillerin çapı 100 ile 150 arasında değişmektedir; bu, normal bir ışık mikroskobu ile ölçülebilecek sınırın altındadır.

Bilimsel Raporlar makalesinden alınan çizim: Şematik gösterim (değil Mevcut çalışmada bulunan bir örümcek ipeği lifinin önerilen yapısının ölçeğine göre). (A) Fiber yandan görünüm, (B) fiberin kesiti. 0,6 ila 1 µm kalınlığında, iletken olmayan, lipid açısından zengin bir dış katman (yeşil), iki iletken, iç otofloresan protein katmanı: FITC’nin (mavi) yönünde daha yüksek afinite gösterdiği bir katman ve diğer Rodamin B, (mavi) yönünde daha yüksek afinite gösterir. turuncu). İç protein çekirdeği, lifin uzun eksenine paralel olarak hizalanmış, daha amorf protein bölgeleriyle çevrelenmiş kristalin fibrillerden oluşur. Katkıda bulunan: Iachina/Brewer, Güney Danimarka Üniversitesi.

“Tahmin edebileceğiniz gibi bükülmüş değiller; dolayısıyla artık sentetik örümcek oluşturmaya çalışırken onları bükmeye gerek olmadığını biliyoruz. Irina Iachina, “ipek” diyor.

Iachina ve Brewer, iki farklı ipek türü üreten altın küre ağlı örümcek Nephila Madagascariensis’in ipek lifleriyle çalışıyor: Biri MAS (Major Ampullate Silk fibers) olarak adlandırılıyor, örümceğin ağını yapmak için kullanıldığı gibi, aynı zamanda örümceğin tutunmak için kullandığı ipektir. Irina Iachina bunu örümceğin cankurtaran halatı olarak adlandırıyor; çok güçlüdür ve yaklaşık 10 mikrometrelik bir çapa sahiptir.

MiS (Küçük Ampullat İpek lifleri) adı verilen diğeri ise inşaat için yardımcı malzeme görevi görür. Daha elastiktir ve genellikle 5 mikrometre çapa sahiptir.

İkili’nin analizine göre MAS ipeği, yaklaşık 145 nanometre çapında fibriller içeriyor. MiS için bu yaklaşık 116 nanometredir. Her fibril proteinlerden oluşur ve birkaç farklı protein söz konusudur. Bu proteinler, örümcek ipek liflerini oluşturduğunda üretilir.

Bu kadar güçlü lifleri nasıl oluşturabildiklerini anlamak önemlidir, ancak lifleri üretmek de zordur. Bu nedenle, bu alandaki araştırmacılar genellikle kendileri için ipek üretme konusunda örümceklere güveniyorlar.

Alternatif olarak, Irina Iachina’nın şu anda MIT’de üzerinde çalıştığı şey olan hesaplamalı yöntemlere de başvurabilirler: “Şu anda ben Proteinlerin ipeğe nasıl dönüştüğüne dair bilgisayar simülasyonları yapıyorum. Amaç elbette yapay örümcek ipeğinin nasıl üretileceğini öğrenmek, ancak aynı zamanda etrafımızdaki dünyanın daha iyi anlaşılmasına katkıda bulunmak da ilgimi çekiyor” diyor.

Referanslar: “Önemli nesnelerin nano ölçekli görüntülemesi ve küre ağlı örümcek Nephila Madagascariensis’ten küçük ampullat ipek”, yazan: Irina Iachina, Jacek Fiutowski, Horst-Günter Rubahn, Fritz Vollrath ve Jonathan R. Brewer, 24 Nisan 2023, Bilimsel Raporlar.
DOI: 10.1038/ s41598-023-33839-z

“Helyum İyon Mikroskobu ve Örümcek İpeğinin Kesilmesi”, yazan: Irina Iachina, Jonathan R. Brewer, Horst-Günter Rubahn ve Jacek Fiutowski, 22 Mayıs 2023, Tarama.{ 16} DOI: 10.1155/2023/2936788