باحثون أمريكيون يكشفون آلية تكوين قوة شد خيوط العنكبوت

يمكن أن تصل قوة شد خيوط العنكبوت إلى 150 نيوتن لكل مليمتر مربع، ويمكنها تحمل هذه القوة قبل أن تنكسر. يستكشف الباحثون طرقًا لإنتاج خيوط العنكبوت بشكل صناعي، نظرًا لأن كمية الخيوط التي تنتجها كل عنكبوت قليلة نسبيًا. التحدي الرئيسي يكمن في تحويل بروتين الخيوط السائل الموجود في الغدد الخاصة بالعنكبوت إلى ألياف فعلية.

خيوط العنكبوت هي مادة حيوية تنتجها هذه الحيوانات من فصيلة العنكبوت، وتوجد بشكل رئيسي في شكل ألياف خطية، وتتميز بمرونة عالية وقوة تعادل قوة الفولاذ. ما يميز هذه الخيوط هو وجودها في أشكال متعددة، حيث لكل شكل استخدامه المحدد. على الرغم من أن الخيوط الرفيعة هي الشكل الأكثر شيوعًا الذي يستخدمه العنكبوت في نسج الشبكات، إلا أن هذه الحيوانات تستخدم أيضًا عدة أشكال أخرى، مثل اصطياد الفرائس، وحماية البيض، أو كحبال أمان.

من بين العديد من الخصائص، تعتبر قوة شد خيوط العنكبوت ملفتة للنظر، حيث يمكن أن تصل إلى 15 جيجا باسكال (GPa)، مما يعني أنها تستطيع تحمل قوة شد تصل إلى 150 نيوتن لكل مليمتر مربع، مما يعادل الفولاذ عالي الجودة. نظرًا لقوتها في الشد، ومرونتها، وخفة وزنها، وقابلية تحللها بيولوجيًا، فإن خيوط العنكبوت تحمل قيمة تطبيقية محتملة في صناعة النسيج.

تحديات إنتاج خيوط العنكبوت بشكل صناعي

نظرًا لأن كل عنكبوت ينتج كمية قليلة من الخيوط، ولا يمكن تربيته على نطاق واسع مثل دودة القز بسبب طبيعتها المفترسة، يبحث الباحثون عن طرق لإنتاج خيوط العنكبوت بشكل صناعي. أشارت البروفيسورة سارة ستيلواجن من جامعة نورث كارولينا (UNC) في مقابلة إلى أن التحدي يكمن في تحويل بروتين الخيوط السائل الموجود في الغدد الخاصة بالعنكبوت إلى ألياف فعلية. "لقد صنع الباحثون كميات كبيرة من مزيج البروتين، كما تفعل العناكب، لكن على عكس العناكب، لم يتمكنوا بعد من تحويل هذه البروتينات إلى خيوط صلبة على نطاق يمكن للجمهور استخدامه."

البروفيسورة ستيلواجن هي أستاذة مساعدة في قسم العلوم البيولوجية بجامعة UNC شارلوت.

عملية إنتاج خيوط العنكبوت

تقوم العناكب بتحقيق هذه العملية من خلال دفع السائل من الغدد عبر أنابيب ضيقة، مما يغير بيئته الكيميائية، ويجمعه في بنية ضيقة تُعرف باسم β-sheet. ثم يتم إخراج الألياف في شكل صلب من جهازها الخاص بإنتاج الخيوط. ومع ذلك، حققت الأبحاث أيضًا بعض التقدم. أظهر الباحثون في جامعة العلوم الزراعية في السويد (SLU) أنه يمكن إنتاج البروتين بشكل أكبر وأكثر كفاءة، مما يساعد أيضًا في خفض تكاليف الإنتاج. حصلت الباحثتان آنا رايزينغ وبنجامين شموك على منحة قدرها 200,000 يورو من مؤسسة H&M، وهما تعملان حاليًا على إنتاج الألياف والخيوط من البروتين لإجراء اختبارات نسيجية.

يستكشف الفريق أيضًا تطبيقات هذه الألياف في الاستخدامات الطبية. قالت البروفيسورة رايزينغ: "تتيح لنا هذه المنحة (الدعم والتمويل) فرصة اتخاذ الخطوة التالية: إجراء المزيد من التجارب، وتحسين عملية الإنتاج، وإنتاج ما يكفي من المواد لاختبار الخيوط والمنتجات النسيجية." وقد فككت الأبحاث السابقة من كلية كينغز بلندن وجامعة ولاية كاليفورنيا في سان دييغو الشيفرة الجينية التي تجعل خيوط العنكبوت أقوى من الفولاذ وأكثر مرونة من الكيفلار.

الإمكانات المستقبلية لإنتاج خيوط العنكبوت بشكل صناعي

تلقى خيوط العنكبوت اهتمامًا واسعًا بسبب قوتها ومرونتها الفائقة، خاصة في التطبيقات المحتملة في مجالات النسيج والطب. مع جهود الباحثين للتغلب على تحديات انخفاض إنتاج خيوط العنكبوت، قد يؤدي تطوير تقنيات الإنتاج الصناعي إلى تغيير الصناعات ذات الصلة. من خلال تحسين إنتاج البروتين والاختبارات النسيجية، من المتوقع أن يتم تحقيق الإنتاج الضخم في المستقبل، مما يعزز تجاري المواد الحيوية ويوفر خيارات جديدة لاستخدام المواد الصديقة للبيئة.