ساخت الیاف ابریشمی محکم تر از فولاد و سخت تر از کولار

مهندسان دانشگاه واشنگتن در سنت لوئیس، پروتئین های ترکیبی نشاسته ای تولید کرده و آنها را به الیافی تبدیل نموده اند که از برخی از ابریشم های عنکبوتی معمولی محکم تر و سخت تر هستند.

ابریشم مصنوعی که الیاف «نشاسته ای پلیمری» نامیده می شوند، در واقع از نظر فنی توسط محققان به دست نیامده اند؛ بلکه به واسطه باکتری هایی که در آزمایشگاه فوژونگ ژانگ (پروفسوری است که در بخش مهندسی انرژی، شیمی و محیط زیست در دانشکده مهندسی مک کلوی فعالیت می کند) به وجود آمده‌اند به تولید رسیده اند.

آزمایشگاه ژانگ در سال 2018، باکتری هایی را مهندسی نمود که ابریشم عنکبوتی نوترکیب را تولید کردند؛ این ابریشم در تمام خصوصیات مکانیکی مهم، دارای عملکردی شبیه همتای طبیعی خود است. ژانگ می گوید: «پس از انجام کارهای قبلی همواره یک سوال ذهن مرا به خود درگیر کرده بود که آیا می توانم چیزی بهتر از ابریشم مصنوعی با استفاده از بستر زیست شناسی مصنوعی خود بسازم یا خیر».

در اصل تیم تحقیقاتی، توالی اسید آمینه پروتئین های عنکبوت را اصلاح کردند و بدین طریق توانستند خصوصیات جدیدی را به آنها القا کنند؛ در عین حال برخی از ویژگی های جذاب ابریشم عنکبوتی را همچنان حفظ کردند.

نانو بلورهای β

مشکلی که در زمینه الیاف ابریشمی نوترکیب که تغییر زیادی را نسبت به توالی ابریشم عنکبوتی لمس نکرده اند وجود دارد؛ نیاز به ساخت نانو بلورهای β است که جزء اصلی ابریشم عنکبوتی طبیعی هستند و به استحکام آن کمک می کنند.

ژانگ می گوید: «عنکبوت ها نحوه ریسیدن الیاف با مقدار مناسب از نانو بلورها را کشف کرده اند؛ اما وقتی انسان از فرآیند ریسندگی مصنوعی استفاده می کند، مقدار نانو بلورها در الیاف ابریشم مصنوعی معمولاً کمتر از نمونه طبیعی آنها هستند».

این تیم برای حل این مشکل و القای توالی های نشاسته ای که تمایل زیادی به تشکیل نانو بلورهای β دارند، توالی های ابریشم را دوباره طراحی کردند. سپس پروتئین های نشاسته ای پلیمری مختلف، با استفاده از سه توالی نشاسته ای (که به خوبی بررسی شده بودند) به عنوان نماینده ساخته شدند. پروتئین های حاصله توالی های اسید آمینه ای تکراری کمتری نسبت به ابریشم عنکبوتی داشتند؛ به همین دلیل تولید آنها توسط باکتری های مهندسی شده آسان تر گردید.

128 واحد تکراری

در نهایت باکتری ها یک پروتئین نشاسته ای ترکیبی با 128 واحد تکراری تولید کردند. قبلاً ثابت شده که بیان نوترکیب پروتئین ابریشم عنکبوتی با واحدهای تکراری مشابه مشکل آفرین است.

هر چه پروتئین بلندتر باشد؛ الیاف حاصله محکم تر و سخت تر می شوند. ساخت پروتئین هایی با 18 تکرار، منجر به تولید الیافی محکم تر از فولاد معمولی و با استحکام گیگا پاسکال (واحدی است برای اندازه گیری میزان نیروی مورد نیاز برای شکستن الیاف با قطر ثابت) می شود.

به علاوه این الیاف سخت تر از کولار و تمام الیاف ابریشمی نوترکیب قبلی هستند. استحکام و سختی این الیاف حتی از برخی از الیاف ابریشمی عنکبوتی طبیعی نیز بیشتر است. بعدها ثابت شد که خواص مکانیکی بالای الیاف نشاسته ای پلیمری، ناشی از افزایش مقدار نانو بلورهای β است.

ژانگ می گوید: «این نشان می دهد که ما می توانیم زیست شناسی را برای تولید موادی که بر بهترین مواد طبیعی غلبه می کنند، مهندسی کنیم. ما در این کار تنها سه هزار توالی نشاسته ای مختلف که به صورت طبیعی می توانند خواص ابریشم عنکبوتی را افزایش دهند، بررسی کردیم. از این رو به نظر می رسد فرصت های نامحدودی در زمینه مهندسی مواد با کارآیی بالا، با استفاده از بستر ما وجود دارد».