دودة القز المعدلة وراثيا تدور حرير العنكبوت بقوة 6 مرات أكثر من الكيفلار

دودة القز المعدلة وراثيا تدور حرير العنكبوت بقوة 6 مرات أكثر من الكيفلار

الطابع الزمني: 26 سبتمبر 2023 ، الساعة 1:00 مساءً
تقوم دودة القز المعدلة وراثيا بتدوير حرير العنكبوت بقوة 6 مرات أكثر من ذكاء بيانات الكيفلار بلاتوبلوكشين. البحث العمودي. منظمة العفو الدولية.

في أحد الأيام، غطست برأسي في شبكة عنكبوت بينما كنت نصف نائم داخل شاحنتي.

وبغض النظر عن الصراخ، فقد تعجب الجزء المنطقي مني من مدى السرعة التي تمكنت بها حشرة زاحفة واحدة من نسج مثل هذه الشبكة المعقدة - والمرنة والمرنة بشكل مدهش - في غضون ساعات قليلة.

حرير العنكبوت هو عجب طبيعي. إنها قوية وتقاوم الضرر ولكنها أيضًا مرنة للغاية. يمكن استخدام الحرير الخفيف والقوي والقابل للتحلل الحيوي في أي شيء بدءًا من الغرز الجراحية وحتى السترات الواقية من الرصاص.

لماذا لا ننتج المزيد من هذا الحرير للاستهلاك البشري؟ العناكب هي آلات تصنيع بيولوجية رهيبة. وبغض النظر عن العامل المخيف، فهم قتاليون للغاية - ضع بضع مئات منهم معًا، وسرعان ما سيتبقى لديك حفنة من المنتصرين ومنتج قليل جدًا.

ولكن بفضل الهندسة الوراثية، قد يكون لدينا الآن طريقة لتخطي العناكب تمامًا في تصنيع حرير العنكبوت.

In دراسة نُشر الأسبوع الماضي، استخدم فريق من جامعة دونغهوا في الصين تقنية كريسبر لإنشاء دودة قز معدلة وراثيًا يمكنها إنتاج حرير العنكبوت. وتكون الخيوط الناتجة أكثر صلابة من الكيفلار، وهو مكون اصطناعي يستخدم في السترات المضادة للرصاص. وبالمقارنة بالمواد الاصطناعية، فإن حرير العنكبوت هذا يعد بديلاً أكثر قابلية للتحلل البيولوجي ويمكن تحجيمه بسهولة للإنتاج.

وأعطى الدكتور جوستين جونز من جامعة ولاية يوتا، والذي لم يشارك في الدراسة، موافقة على النسيج الجديد. والمواد الناتجة هي "ألياف عالية الأداء حقًا". محمد إلى علوم.

وفي الوقت نفسه، يرى المؤلفون أن استراتيجيتهم لا تقتصر على حرير العنكبوت. كشفت الدراسة عن العديد من المبادئ الفيزيائية الحيوية لبناء مواد حريرية تتمتع بقوة ومرونة استثنائيتين.

من المحتمل أن يؤدي إجراء المزيد من التجارب إلى إنتاج منسوجات من الجيل التالي تتجاوز القدرات الحالية.

من الديدان والمفصليات والتاريخ

توفر الطبيعة ثروة من الإلهام للمواد المتطورة.

خذ الفيلكرو، وهو مادة الخطاف التي يمكن أن تعلق مناشف الحمام أو تثبت أحذية طفلك. وكانت المادة في كل مكان ابتكره المهندس السويسري جورج دي ميسترال لأول مرة في الأربعينيات عند محاولته إزالة نتوءات سرواله بعد التنزه. وأظهرت نظرة أخرى تحت المجهر أن النتوءات بها خطافات حادة تسببت في تشابك الحلقات في القماش. قام De Mestral بتحويل إزعاج المشي لمسافات طويلة إلى نسيج الخطاف والحلقة المتوفر في جميع متاجر الأجهزة اليوم.

والمثال الأقل شائكًا هو الحرير. أول من تم زراعته في الصين القديمة منذ ما يقرب من 5,000 عامًا، يتم غزل الحرير من دودة القز المتعرجة والمستديرة ويتم غزله في الأقمشة باستخدام الأنوال البدائية. انتشرت هذه الحريرات الرقيقة في جميع أنحاء شرق آسيا وغربها، مما ساعد على تأسيس طريق الحرير الأسطوري.

ومع ذلك، كما يعلم أي شخص يمتلك ملابس أو ملاءات حريرية، فهذه مواد حساسة بشكل لا يصدق ويمكن أن تتمزق وتتحلل بسهولة.

إن التحديات التي نواجهها مع حرير دودة القز تتقاسمها معظم المواد.

إحدى المشاكل هي القوة: مقدار التمدد الذي يمكن أن تتحمله المادة مع مرور الوقت. تخيل أنك تنتزع سترة منكمشة قليلاً بعد الغسيل. كلما قلت قوة الألياف، قلت احتمالية احتفاظ الملابس بشكلها. والمشكلة الأخرى هي المتانة. ببساطة، إنها مقدار الطاقة التي يمكن للمادة امتصاصها قبل أن تتحلل. ستُحدث السترة القديمة ثقوبًا بسهولة بمجرد شدها. من ناحية أخرى، فإن مادة الكيفلار، وهي مادة مضادة للرصاص، يمكنها أن تتحمل الرصاص حرفيًا.

وقال الفريق إنه لسوء الحظ، فإن الخاصيتين متنافيتان في المواد الهندسية الحالية.

ومع ذلك، فإن الطبيعة لديها الحل: حرير العنكبوت قوي وقوي في نفس الوقت. تكمن المشكلة في جدل المفصليات لإنتاج الحرير في بيئة آمنة وفعالة. هذه الحيوانات هي حيوانات مفترسة شرسة. يمكن لمائة من دودة القز في الأسر أن تحتضن بسلام؛ قم برمي مائة عنكبوت معًا وستحصل على حمام دم لم يبق منه سوى واحد أو اثنين على قيد الحياة.

رحم الدودة العنكبوتية

ماذا لو تمكنا من الجمع بين أفضل ما في دودة القز والعناكب؟

العلماء لديهم أردت منذ فترة طويلة أن مهندس "لقاء لطيف“موعد النوعين بمساعدة الهندسة الوراثية. لا، إنها ليست rom-com عبر الأنواع. الفكرة الرئيسية هي منح دودة القز وراثيا القدرة على إنتاج حرير العنكبوت.

لكن الجينات التي تشفر بروتينات حرير العنكبوت كبيرة. وهذا يجعلها صعبة التشويش على الشفرة الوراثية للمخلوقات الأخرى دون إرباك الخلايا الطبيعية والتسبب في فشلها.

هنا، استخدم الفريق أولاً طريقة حسابية لتعقب البنية البسيطة للحرير. النموذج الناتج رسم خريطة للاختلافات في بروتين الحرير بين دودة القز والعناكب. ولحسن الحظ، يقوم كلا النوعين بتدوير الألياف من هياكل بروتينية متشابهة - تسمى ألياف البولياميد - على الرغم من أن كل منهما يعتمد على مكونات بروتينية مختلفة.

هناك قدر آخر من الحظ وهو التشريح المشترك. وقال الفريق: "إن الغدد الحريرية لدود القز المنزلية والغدد الحريرية العنكبوتية تظهر بيئات فيزيائية وكيميائية متشابهة بشكل ملحوظ".

وباستخدام النموذج، حددوا مكونًا مهمًا يعزز قوة الحرير وصلابته، وهو بروتين حرير صغير نسبيًا، MiSp، موجود في أرانيوس البطيني العناكب من شرق آسيا.

باستخدام أداة تحرير الجينات CRISPR-Cas9، أضاف الفريق بعد ذلك ترميز الجينات لـ MiSp إلى دودة القز، مما أدى إلى إعادة تنظيمها بشكل أساسي لغزل حرير العنكبوت. كان تحقيق ذلك كابوسًا تكنولوجيًا يتطلب مئات الآلاف من الحقن المجهري في بيض دودة القز المخصب لتحرير غدد غزل الحرير. ولفحص السلامة العقلية، أضاف الفريق أيضًا الجين الذي جعل عيون دودة القز تتوهج باللون الأحمر المؤلم، مما يشير إلى النجاح.

مؤلف الدراسة Junpeng Mi "رقصت وركضت عمليًا نحو" المؤلف الرئيسي، مكتب الدكتور منغ تشينغ. قالت مي: "أتذكر تلك الليلة بوضوح، حيث أبقتني الإثارة مستيقظًا".

إن حرير العنكبوت الدودي الناتج هو أكثر صلابة بست مرات تقريبًا من الكيفلار ولكنه لا يزال مرنًا. قال جونز إنه أمر مثير للدهشة، لأن الألياف التي تستخدم MiSp ليست قابلة للتمدد دائمًا. وكمكافأة، قامت دودة القز أيضًا برش نوع من الطبقة الواقية بشكل طبيعي لتقوية الألياف. هذا جعلهم محتملين أكثر دواما من حرير العنكبوت الصناعي السابق.

يقوم الفريق أيضًا باستكشاف نموذجه الحسابي لتصميم حرير متوافق بيولوجيًا للخيوط الطبية. أبعد من ذلك يأملون في الحصول على المزيد من الإبداع. لقد أراد علماء الأحياء الاصطناعية منذ فترة طويلة تطوير الأحماض الأمينية الاصطناعية (القطع الجزيئية التي تشكل البروتينات). ماذا سيحدث إذا أضفنا الأحماض الأمينية الاصطناعية إلى الأقمشة القابلة للتحلل؟

وقال مي: "إن إدخال أكثر من مائة من الأحماض الأمينية المهندسة يحمل إمكانات لا حدود لها لألياف حرير العنكبوت الهندسية".

مصدر الصورة: جونبينج مي، كلية العلوم البيولوجية والهندسة الطبية، جامعة دونغهوا، شنغهاي، الصين

الطابع الزمني:

اكثر من التفرد المحور