ساخت الیاف ابریشم مقاوم با یک روش عجیب

برای اولین بار، دانشمندان با موفقیت الیاف ابریشم عنکبوت را با استفاده از کرم های ابریشم اصلاح شده ژنتیکی تولید کردند.

به گزارش تکناک، با استحکام و چقرمگی بالا، این ابریشم پتانسیل ارائه یک جایگزین مقیاس پذیر، پایدار و با کیفیت بهتر برای الیاف مصنوعی فعلی مانند نایلون را دارد.

یونپنگ می، نویسنده اول، محقق کالج علوم زیستی و مهندسی پزشکی، دانشگاه دونگ‌هوا، چین، می‌گوید: ابریشم تولید شده کرم ابریشم در حال حاضر تنها الیاف ابریشم حیوانی است که در مقیاس بزرگ تجاری شده است و با تکنیک‌های پرورش به خوبی تثبیت شده است. در نتیجه، استفاده از کرم‌های ابریشم اصلاح‌ ژنتیکی شده برای تولید الیاف ابریشم عنکبوت، تجاری‌سازی کم‌هزینه و در مقیاس بزرگ را ممکن می‌سازد.

الیافی که کرم‌های ابریشم پیله‌های خود را با آن‌ها می‌سازند، هزاران سال است که کشت می‌شوند، اما با وجود فراوانی، بسیار شکننده هستند. در همین حال، عنکبوت ها ابریشم سخت و قوی تولید می کنند، اما کشت آن در هر مقیاسی دور از دسترس بوده است. محققان خاطرنشان می‌کنند که طبیعت همنوع خواری عنکبوت‌ها، نگهداری  آنها را غیرممکن می‌کند.

این مطالعه جدید می‌تواند بسیار کاربردی باشد و در تلاش برای تولید پایدار این ماده طبیعی با ارزش بسیار تحول برانگیز باشد. بیش از یک دهه است که دانشمندان در تلاش برای تکمیل این دستور العمل بیونیک هستند.

برای مهندسی کرم ابریشم با ویژگیهای عنکبوتی منحصربه‌فرد، می و همکارانش روی پروتئین کوچک ابریشم از گونه عنکبوت گرد‌باف به نام Araneus ventricosus، که در شرق آسیا یافت می‌شود، تمرکز کردند. با استفاده از تکنیک CRISPR-Cas9، پروتئین MiSp به جای ژنی که پروتئین ابریشم اولیه کرم ابریشم را کد می‌کند، به DNA کرم ابریشم وارد شد.

دانشمندان همچنین توانستند با فعال شدن موفقیت آمیز ژن در DNA کرم ابریشم، به بومی سازی دست یابند، بدون اینکه در سایر جنبه های تولید ابریشم طبیعی حیوان تداخلی ایجاد کند.

می می گوید: این مفهوم بومی سازی که در این مطالعه معرفی شد، همراه با مدل ساختاری حداقلی پیشنهاد شده، نشان دهنده انحراف قابل توجهی از تحقیقات قبلی است. ما مطمئن هستیم که تجاری سازی در مقیاس بزرگ در افق است.

الیاف به‌دست‌آمده فراتر از انتظارات محققین بود و دارای استحکام کششی بالا (1299 مگاپاسکال) و چقرمگی (319 MJ/m3) بود. این، الیاف بسیار انعطاف پذیرتر از حد انتظار بودند و پروتئین MiSp برای تولید ابریشم قوی که کشسان نیست شناخته شده است.

می گفت: ابریشم عنکبوت به عنوان یک منبع استراتژیک است که نیاز فوری به مطالعه بیشتر دارد. عملکرد مکانیکی فوق‌العاده بالای الیاف تولید شده در این مطالعه نوید قابل توجهی در این زمینه دارد. این نوع الیاف می تواند به عنوان بخیه های جراحی مورد استفاده قرار گیرد و تقاضای جهانی بیش از 300 میلیون مورد در سال را برطرف کند.

الیاف جدید دارای پتانسیل تجاری گسترده ای هستند، از جمله در مواد هوشمند برای ارتش، فناوری هوافضا، مهندسی زیست پزشکی و پوشاک. ابریشم تولید شده شش برابر سخت تر از کولار (نام تجاری برای الیاف ساخته شده از پارا آرامید) مورد استفاده در جلیقه های ضد گلوله است.

اکنون محققان قصد دارند کرم‌های ابریشم اصلاح ژنتیکی ‌شده تولید کنند که الیاف ابریشم عنکبوت را از اسیدهای آمینه طبیعی و مهندسی شده تولید می‌کنند.

می گفت: معرفی بیش از صد آمینو اسید مهندسی شده پتانسیل بی حد و حصری را برای الیاف مهندسی شده ابریشم عنکبوت دارد.

این تحقیق در مجله Matter منتشر شد.