Ħarir jiġġebbed u jiflaħ iktar mill-azzar!

Maqlub għall-Malti minn Cecilia Fenech

Stampa Grazzi għal Richard Davies

Jista’ jkun li l-ħarir tal-brimb ikun is-soluzzjoni għal diversi sfidi fl-oqsma tal-mediċina u l-militar? Giovanna Cicognani mill-Institut Laue-Langevin u Montserrat Capellas mill-European Synchrotron Radiation Facility fi Franza, jinvestigaw ir-riċerka ta’ Christian Riekel u Tilo Seydel f’dan il-materjal meraviljuż.

Għalkemm il-qasam tal-biomimetics huwa relattivament ġdid fix-xjenza moderna, l-idea li l-bniedem huwa kapaċi jagħmel użu ta’ disinni fl-evoluzzjoni imur lura diversi sekli. Iktar minn 400 sena ilu, Leonardo da Vinci kien diġà qed jistudja l-għasafar sabiex iġib l-ideat fuqiex jibni magni li kapaċi jtiru. Issa, xjentisti fi Franza qegħdin jużaw l-aħħar teknoloġija sabiex jiskopru s-sigrieti ta’ materjal li ilu magħna għal iktar minn 150 miljun sena.

Għal sekli sħaħ il-bniedem kien jgħir għall-brimb talli kien jirnexxilu jibni għanqbut tant eleganti, li għalkemm jidher fraġli immens, huwa kapaċi jwaqqaf insetti oħra f’nofs titjira mingħajr ma l-ħarir tant fin jinqata’. Il-ħjut li minnhom huma magħmulin dawn l-istrutturi meraviljużi jissejħu biopolymers. B’kuntrast għal polymers artifiċjali, bħal per eżempju Kevlar®, li huma magħmulin permezz ta’ aċtu, sħana u pressa kbira, il-brimb, huma kapaċi jipproduċu l-ħarir taħt kundizzjonijiet ta’ l-ambjent naturali. Il-kapaċità tal-għanqbuta li taqbad l-insetti hija grazzi għall-kwalitajiet mekkaniċi li għandha: saħħa, l-abbiltà li tiġġebbed (sa 30%), u iktar importanti l-abbiltà li tirreżistimilli tinqata’. Fil-fatt il-ħarir tal-brimb jista’ jilħaq saħħa ta’ 6 darbiet iktar mill-azzar meta kkumparat fuq bażi ta’ toqol. Iktar minn hekk, huwa l-fatt li dan il-ħarir għandu l-abbiltà li jassorbi ammont sostanzjali ta’ enerġija bla ma jinqata’ li jagħmlu daqshekk speċjali, speċjalment meta jiġi kkumparat ma’ materjali artifiċjali bħal Kevlar® li għalkemm għandhom saħħa konsiderevoli, m’għandomx l-ispeċifiċità li għandu dan il-ħarir. Barra minn hekk, b’kuntrast għall-Kevlar®, il-ħarir tal-brimb jista’ jiġi bijodegradat u riċiklat. Fil-fatt waqt li l-brimb ikun qiegħed jirranġa l-għanqbut tiegħu, ġeneralment huwa jiekol l-partijiet fejn ikun hemm il-ħsara sabiex jassorbi n-nutrijenti li jkun hemm fiha.

Dawn il-karatteristiċi varji jagħmlu l-ħarir tal-brimb ta’ interess għal diversi oqsma fir-riċerka. Kimiċi bbażati fuq dan il-ħarir jistgħu jintużaw fil-mediċina, bħala sutura b’saħħitha u li ma hix tossika, jew fit-tiswija tal-ligamenti. Dan huwa possibbli għaliex dan il-materjal ma jnaqqasx fil-kwalitajiet tiegħu anke meta jkun milwi repetittivament, u wkoll jista’ jissaporti impatti regolari u ta’ pressa kbira. Il-militar ukoll għandu interess f’materjal bħal dan, għaliex għandu l-kapaċità li jassorbi l-enerġija u jista’ jkun ideali għall-użu f’armaturi ħfief.

Madanakollu, qabel ma dan il-ħarir ikun jista’ jiġi pproduċut u użat, huwa essenzjali li nifhmu eżatt ir-raġuni wara l-kwalitajiet mekkaniċi uniċi li dan il-materjal juri. Esperimenti riċenti fl-Institut Laue-Langevin (ILL) u l-European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), fi Grenoble fi Franza, użaw neutron scattering u synchrotron radiation sabiex jinvestigaw il-karatteristiċi mikroskopiċi ta’ dan il-materjal. Din ir-riċerka pprovdiet  informazzjoni ġdida fuq l-istruttura ta’ dan il-ħarir, li jgħinu sabiex jagħtu l-kwalitajiet mekkaniċi ta’ dan il-materjal. Iż-żewġ metodi jikkumplementaw lil xulxin. Synchrotron radiation huwa tip ta’ radjazzjoni ta’ enerġija kbira bl-użu tal-X-ray^w1, u jagħmilha possibbli li ħarira waħda tkun studjata fil-mument li tkun qiegħda tiġi pproduċuta mill-brimba. Min-naħa l-oħra, neutron scattering jagħtina l-possibbiltà li nidentifikaw differenzi fl-organizazzjoni tal-proteini u l-kwalitajiet tagħhom fl-ilma, għaliex dan jinfluwenza ħafna l-kwalitajiet mekkaniċi tal-materjal. Neutrons, b’kuntrast għall-synchrotron radiation, huma mxerrdin differenti b’ilma li fih idroġenu normali, u l-hekk imsejjaħ ilma tqil (heavy water), li fih id-deuterium. Permezz li jesponu l-ħarir għall-ilma li fih id-deuterium, wieħed jista’ jiddetermina liema atomi ta’ l-idroġenu ġew mibdula b’atomi tad-deuterium. Kif in-neutrons jiġu mxerrdin, tgħinna niġbru informazzjoni fuq il-kuntest kimiku li fih l-atomi huma misjuba.

Ir-riżultati misjuba minn tim ta’ riċerkaturi mill-ESRF u l-ILL flimkien mad-Dipartiment taż-Żooloġija fl-Università ta’ Oxford, fl-Ingilterra juru li l-ħarir tal-brimb huwa materjal organizzat b’mod ġerarkiku. Huwa biopolymer magħmul minn proteini li fil-maġġoranza tagħhom huma magħmulin minn motifi repetittivi ta’ amino acids bħal alanine u glycine.

Struttura tan-nanofibrils Stampa Grazzi għal Daniel Sapede

L-alanine jifforma reġjun pjuttost kristallizzat, li huma separati b’reġjuni li m’għandhomx struttura kkristallizzata u li huma magħmulin minn ammont konsiderevoli ta’ glycine. Dawn ir-reġjuni differenti huma mbagħad organizzati f’nanofibrils, li huma mqegħdin ġo massa ta’ proteini amorfi. Ix-xjentisti għadhom jiddibattu r-raġuni għaliex din l-istruttura għandha dawn il-karatteristiċi: dawn jirriżultaw minħabba l-molol molekolari fil-massa ta’ proteini jew il-proprjetajiet tas-sistema ta’ proteini amorfi, li hija msaħħa mir-reġjuni kkristalizzati (ara stampa)?

Ix-xjentisti ġa rnexxielhom jipproduċu dan il-ħarir tal-brimb b’mod artifiċjali, u dan jgħinna nifhmu iktar (għalkemm mhux kompletament) kif il-proteini huma organizzati sabiex jagħtu s-saħħa tremenda ta’ dan il-materjal. Madanakollu, huwa neċessarju li jsir iktar xogħol sabiex nifhmu iktar u nirriproduċu l-mekkaniżmu ta’ kif l-aggregazzjoni ta’ proteini ssir. Fil-brimba, il-proteini tal-ħarir huma magħmula ġewwa glandola f’forma ta’ kristalla ta’ likwidu magħqud. Dan il-likwidu huwa mbagħad imbuttat minn ġo kanal twil sa spigot fit-tarf ta’ l-ispinneret tal-brimba. Waqt li tkun għaddejja minn ġol-kanal, il-ħarira teħxien u minħabba tibdil fil-pH, il-likwidu magħqud jinbidel f’aggregazzjoni tal-proteini tal-ħarir. Il-brimba hija wkoll kapaċi li terġa’ tassorbi u tirreċikla l-ilma waqt dan il-proċess. Fatturi oħra, bħal pereżempju l-movimenti tal-ġisem tal-brimba, ukoll jgħinu fil-produzzjoni tal-ħarir.

Eżattament kif dawn il-fatturi jaffetwaw lil xulxin u kif jistgħu jirriproduċuhom sabiex nipproduċu ħarir artifiċjali fil-laboratorji, hija mistoqsija li tibqa’ mhix solvuta mix-xjentisti. Fl-ESRF, ILL u postijiet oħra ta’ riċerka madwar id-dinja, ir-riċerka fil-biometrics tkompli, sabiex jinstabu alternattivi sintetiċi għal wieħed mill-iktar materjali naturali meraviljużi, u magħhom ġenerazzjoni ġdida ta’ materjali rħas u ekoloġiċi.

Referenzi fuq l-Internet

w1 – Għal iktar dettalji ta’ kif synchrotron radiation huwa użat fir-riċerka, żur:
Capellas M, Cornuéjols D (2006) Shipwreck: science to the rescue! Science in School 1: 26-29.

Riżorsi

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) Is traditional engineering the right system with which to manipulate our world? Science in School 4: 56-60.