رؤى جزيئية في حرير العنكبوت

فهي خفيفة الوزن ، وغير مرئية تقريبًا ، وقابلة للتوسعة وقوية للغاية ، وبالطبع قابلة للتحلل الحيوي: تستخدم العناكب التي تستخدمها الخيوط لبناء شبكاتها. في الواقع ، ينتمي الحرير العنكبوت إلى أصعب الألياف في الطبيعة. واستنادا إلى وزنه المنخفض ، فإنه يحل حتى محل خيوط التكنولوجيا الفائقة مثل الكيفلار أو الكربون. مزيج فريد من القوة والتمدد يجعلها جذابة خاصة للصناعة. سواء في صناعة الطيران ، صناعة النسيج ، أو الطب - التطبيقات المحتملة لهذه المواد الرائعة متعددة.

لطالما سعى علماء المواد إلى إعادة إنتاج الألياف في المختبر ، ولكن بنجاح محدود. اليوم ، من الممكن تصنيع حرير العنكبوت الاصطناعي الذي له خصائص مشابهة كنموذج أولي ، لكن التفاصيل الهيكلية على المستوى الجزيئي المسؤولة عن خواص المواد تنتظر الكشف عنها. الآن ، قدم علماء من جوليوس ماكسيميليان-يونيفرسيتات فورتسبورغ (JMU) رؤى جديدة. الدكتور هانيس نيوفيلر ، المحاضر في معهد التكنولوجيا الحيوية والفيزياء الحيوية في وحدة التنسيق المشتركة ، هو المسؤول عن هذا المشروع. يتم نشر نتائجه في المجلة العلمية Nature Communications .

يقوم المشبك الجزيئي بتوصيل كتل بناء البروتين

"ألياف الحرير تتكون من كتل بناء البروتين ، ما يسمى spidroins ، التي يتم تجميعها من قبل العناكب داخل الغدة الغزل" ، ويوضح Neuweiler. تأخذ الأطراف الطرفية لبنات البناء أدوارًا خاصة في هذه العملية. يتم إنهاء طرفي spidroin بواسطة المجال N- و C- محطة.

تقوم النطاقات في كلا طرفيها بتوصيل كتل بناء البروتين. في هذه الدراسة ، ألقى Neuweiler وزملاؤه نظرة فاحصة على مجال C-terminal. يربط النطاق C-terminal بين اثنين من spidroins من خلال تشكيل بنية متشابكة تشبه المشبك الجزيئي. يصف نيوفيلر النتيجة المركزية للدراسة: "لاحظنا أن المشبك يتجمع ذاتيًا في خطوتين منفصلتين. في حين أن الخطوة الأولى تتكون من اقتران نهايتين متسلسلتين ، فإن الخطوة الثانية تنطوي على طي اللوالب اللامية في محيط المجال. "

كانت عملية التجميع الذاتي هذه ذات الخطوتين غير معروفة في السابق وقد تسهم في تمدد حرير العنكبوت. من المعروف أن تمدد حرير العنكبوت يرتبط مع ظهور الحلزون. عمل سابق ، ومع ذلك ، تتبع قابلية التوسع مرة أخرى إلى الكشف عن الحلزونات في الجزء المركزي من spidroins. "نقترح أن المجال C-terminal قد يكون بمثابة وحدة تساهم في التمدد" يشرح Neuweiler.

مساعدة علم المواد

في دراستهم درس Neuweiler وزملاؤه كتل بناء البروتين من العنكبوت الويب الحضانة Euprosthenops australis. استخدموا الهندسة الوراثية لتبادل الشقوق الفردية من لبنات البناء وتعديل البروتين كيميائيا باستخدام الأصباغ الفلورية. أخيرا ، كشف تفاعل الضوء مع البروتينات القابلة للذوبان أن المجال يتجمع في خطوتين منفصلتين.

يصف نيوفيلر النتيجة بأنها "مساهمة في فهمنا الجزيئي للهيكل والتجمع والخصائص الميكانيكية لحرير العنكبوت." قد يساعد علماء المواد على إنتاج حرير العنكبوت الطبيعي في المختبر. حاليا ، يتم استخدام spidroins المعدلة والتخليقية لهذا الغرض. "إذا كان مجال C-terminal يساهم في مرونة الخيط ، فقد يقوم علماء المواد بتعديل الخواص الميكانيكية للألياف من خلال تعديل مجال C-terminal ،" يقول Neuweiler.