Μεταξένιο, ελαστικό, δυνατότερο από ατσάλι!

Μετάφραση Aλίκη Ροντογιάννη (Aliki Rontoyianni)

Η εικόνα ανατυπώνεται με την άδεια του Richard Davies

Είναι δυνατόν το νήμα της αράχνης να αποτελέσει τη λύση  σε σειρά ιατρικών  ή στρατιωτικών ζητημάτων; Η Giovanna Cicognani από το Ινστιτούτο Laue - Langevin και η Montserrat Capellas από το Ευρωπαϊκό Συγκρότημα Ακτινοβολίας Σύγχροτρον στη Γαλλία,  εξετάζουν την έρευνα των Christian Riekel and Tilo Seydel πάνω σ’ αυτό το αξιοθαύμαστο υλικό.

Η Βιομιμητική αποτελεί σημαντικό πεδίο της σύγχρονης επιστήμης, όμως η ιδέα ότι ο άνθρωπος μπορεί να εμπνευστεί από τα φυσικά εξελικτικά μοντέλα δεν είναι καθόλου καινούργια. Περισσότερο από 400 χρόνια πριν, ο Leonardo da Vinci αντλούσε την έμπνευση του από  τα πουλιά για να κατασκευάσει τις πτητικές μηχανές του. Πρόσφατα Γάλλοι ερευνητές χρησιμοποιούν τεχνολογίες αιχμής για να αποκαλύψουν τα μυστικά ενός υλικού το οποίο υπάρχει γύρω μας για περισσότερα από 150 εκατομμύρια χρόνια.

Επί αιώνες ο άνθρωπος θαυμάζει τις αράχνες για την ικανότητά τους να κατασκευάζουν λεπτεπίλεπτα πλέγματα. Αν και εύθραυστα στην εμφάνιση, αυτά τα πλέγματα μπορούν να παγιδεύσουν τα έντομα κατά την πτήση τους και είναι τόσο ανθεκτικά ώστε να εγκλωβίζουν το θύμα  χωρίς να καταστρέφονται.  Σε αντίθεση με τεχνητά πολυμερή, όπως το Kevlar, το οποίο παρασκευάζεται με πίεση θερμού και όξινου διαλύματος του υλικού μέσω ειδικών ακροφύσιων σε λουτρό όπου και στερεοποιείται, για να ακολουθήσει πλύσιμο και στέγνωμα, το νήμα της αράχνης παράγεται από υδατικό διάλυμα σε συνήθη θερμοκρασία. Η ικανότητα του ιστού να συλλαμβάνει έντομα οφείλεται στο μοναδικό συνδυασμό των ιδιοτήτων του νήματος που είναι η αντοχή, η ελαστικότητα  (εκτείνεται έως 30%) και το πιο σημαντικό, η σκληρότητα. Το μετάξι της αράχνης μπορεί να είναι έξι φορές δυνατότερο από το ατσάλι κατά βάρος αλλά αυτό που το κάνει τόσο ιδιαίτερο είναι η αντοχή του μια και μπορεί να απορροφά μεγάλο ποσό ενέργειας χωρίς να σπάει. Τεχνητά υλικά όπως το Kevlar είναι δυνατά αλλά δεν εμφανίζουν αυτή την ιδιότητα. Επιπλέον, σε αντίθεση με το Kevlar, το νήμα της αράχνης είναι βιοαποικοδομήσιμο και ανακυκλώσιμο. Καθώς οι αράχνες επιδιορθώνουν τους ιστούς τους τρώνε συχνά τα φθαρμένα τμήματα και  επαναχρησιμοποιούν τα δομικά υλικά.

Αυτά τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του νήματος της αράχνης το κάνουν ιδιαίτερα ενδιαφέρον σε διάφορα επιστημονικά πεδία. Πολυμερές παρόμοιο με το νήμα της αράχνης θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί στην ιατρική ως μη τοξικό νήμα μεγάλης αντοχής, ή ως υλικό επιδιόρθωσης συνδέσμων διότι όχι μόνο δε φθείρεται όσο συχνά και αν κάμπτεται αλλά επί πλέον μπορεί να αντέχει σε συνήθεις συγκρούσεις και σε μεγάλη πίεση. Ο στρατιωτικός τομέας επίσης ερευνά τις χρήσεις του υλικού αυτού μια και η ιδιότητά του να διασπείρει την ενέργεια  το καθιστά ιδανικό υλικό για κατασκευή ελαφρύ εξοπλισμού.

Πριν όμως από όποια απόπειρα παραγωγής και χρήσης συνθετικού νήματος αράχνης είναι ανάγκη να διερευνήσουμε που οφείλονται οι μοναδικές μηχανικές του ιδιότητες. Πρόσφατα τα μικροσκοπικά χαρακτηριστικά του νήματος της αράχνης μελετήθηκαν σε πειράματα στο Ινστιτούτο Laue - Langevin (ILL) και στο Ευρωπαϊκό Συγκρότημα Ακτινοβολίας Σύγχροτρον (ESRF) στη Grenoble της Γαλλίας, όπου χρησιμοποιήθηκε  περίθλαση νετρονίων και ακτινοβολία σύγχροτρον αντίστοιχα. Οι δύο παραπάνω τεχνικές αλληλοσυμπληρώνονται. Ενώ η ακτινοβολία σύγχροτρον, που είναι ακτίνες Χ πολύ υψηλής ενέργειας^w1, δίνει τη δυνατότητα μια μοναδική κλωστή να μελετηθεί όπως είναι όταν εξέρχεται από το σώμα της αράχνης, η περίθλαση νετρονίων μας επιτρέπει να αναγνωρίσουμε διαφορές στην οργάνωση των πρωτεϊνών που αποτελούν το νήμα καθώς και την αλληλεπίδρασή τους με  το νερό, η οποία παίζει μεγάλο ρόλο στις μηχανικές ιδιότητες του νήματος. Τα νετρόνια, σε αντίθεση με την ακτινοβολία σύγχροτρον, σκεδάζονται  διαφορετικά από το κανονικό νερό που περιέχει υδρογόνο και από το βαρύ νερό που περιέχει δευτέριο. Βυθίζοντας το νήμα της αράχνης σε βαρύ νερό, μπορούμε να συμπεράνουμε από τον τρόπο του σκεδάζει τα νετρόνια, ποια άτομα υδρογόνου έχουν αντικατασταθεί από άτομα δευτερίου. Αυτό στη συνέχεια μας δίνει πληροφορίες για τη χημική σύνδεση των ατόμων αυτών.

Τα συνδυασμένα αποτελέσματα από τις ομάδες του ESRF,  του ILL και του συνεργαζόμενου τμήματος Ζωολογίας του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης στη Μεγάλη Βρετανία, έδειξαν ότι το νήμα της αράχνης είναι υλικό με ιεραρχική οργάνωση. Το υλικό έχει δομή βιοπολυμερούς αποτελούμενο από πρωτεΐνες φτιαγμένες σχεδόν αποκλειστικά από επαναλαμβανόμενα μοτίβα αμινοξέων όπως η αλανίνη και η γλυκίνη.

Δομή μικροϊνας. Click to enlarge image Η εικόνα ανατυπώνεται με την άδεια του Daniel Sapede

Τα μοτίβα της αλανίνης αποτελούν κρυσταλλικές περιοχές  οι οποίες διαχωρίζονται από μη κρυσταλλικές περιοχές πλούσιες σε γλυκίνη. Αυτές οι κρυσταλλικές και μη κρυσταλλικές δομές οργανώνονται σε  μικροϊνα οι οποίες είναι βυθισμένες σε ένα άμορφο πρωτεϊνικό καλούπι. Οι επιστήμονες ακόμη δεν έχουν καταλήξει γιατί αυτή η δομή  εμφανίζει τις γνωστές εκπληκτικές ιδιότητες του νήματος της αράχνης :  είναι τα  «μοριακά ελατήρια» μέσα στο άμορφο πρωτεϊνικό καλούπι ή το άμορφο δίκτυο που ενισχύεται από κρυσταλλικές περιοχές (βλέπε διάγραμμα).

Οι επιστήμονες εδώ και κάποιο διάστημα έχουν παρασκευάσει τις πρωτεΐνες του νήματος της αράχνης και ήδη κατανοούν σε μεγάλο βαθμό τη σχέση μεταξύ πρωτεϊνικής οργάνωσης  και αντοχής του νήματος. Εν τούτοις, απαιτείται περισσότερη δουλειά για να διερευνηθεί πλήρως  και να προσομοιωθεί ο μηχανισμός της πρωτεϊνικής συσπείρωσης και του σχηματισμού του νήματος. Στις αράχνες οι πρωτεΐνες του μεταξιού συντίθενται και εκκρίνονται σε αδένες με τη μορφή παχύρρευστου υγρού. Οι αγωγοί από τους αδένες οδηγούν σε ειδικούς σχηματισμούς, τους καλούμενους κλώστες,  στο τέλος των νηματογόνων συσκευών. Κατά την έξοδό του το παχύρρευστο υγρό  συμπυκνώνεται ενώ το  pH αλλάζει  και οι πρωτεΐνες συσπειρώνονται. Κατά τη διεργασία της συμπύκνωσης η αράχνη μπορεί και αναρροφά και ανακυκλώνει το νερό. Σημαντικό ρόλο στο γνέσιμο της κλωστής παίζουν επίσης και άλλοι παράγοντες, όπως οι κινήσεις του σώματος της αράχνης.

Το πώς όλοι αυτοί οι παράγοντες συνδυάζονται και πως ο άνθρωπος μπορεί να μιμηθεί την αράχνη ώστε να παρασκευάσει τεχνητό νήμα στο εργαστήριο, αποτελεί ακόμη ανοιχτό πεδίο έρευνας. Στο ESRF, στο ILL και σε άλλα ερευνητικά κέντρα σ’ ολόκληρο τον κόσμο η Βιομιμητική αποτελεί μια σημαντική απόπειρα του ανθρώπου για να παρασκευάσει σημαντικά φυσικά υλικά τα οποία θα αποτελέσουν μια νέα γενιά φτηνών και πιο φιλικών προς το περιβάλλον υλικών.

Αναφορές στο διαδίκτυο

w1 –Για περισσότερες λεπτομέρειες για τη χρήση της ακτινοβολίας σύγχροτρον, βλέπε: Capellas M, Cornuéjols D (2006) Shipwreck: science to the rescue! Science in School 1: 26-29.

Πηγές

ESRF (2006) Nature inspires technology. ESRF Newsletter, Issue 43, June.

Forbes P (2005) The Gecko’s Foot. London, UK: Fourth Estate

Sapede D (2006) Contributions à la compréhension de la structure et de la dynamique hiérarchiques du fil de traîne de l’araignée. PhD thesis. Grenoble, France: Université Joseph Fourier.

Vincent JFV (2007) Αποτελεί ο παραδοσιακός μηχανικός σχεδιασμός το σωστό τρόπο με τον οποίο μπορούμε να διαχειριστούμε τον κόσμο μας? Science in School 4: 56-60.