תולעי משי מהונדס ספין משי עכביש פי 6 קשיח יותר מקוולר

לפני כמה ימים צללתי בראש קורי עכביש בעודי חצי ישן בתוך הקמפר שלי.

צרחות בצד, החלק ההגיוני שבי התפעל מהמהירות שבה ארג מפחיד-זחילה רשת כל כך מורכבת - ומפתיעה קופצנית וגמישה - תוך שעות ספורות.

משי עכביש הוא פלא טבעי. זה קשיח ועמיד בפני נזקים אבל גם גמיש מאוד. קל, חזק ומתכלה, המשי יכול לשמש לכל דבר, מתפרים כירורגיים ועד לאפודים חסיני כדורים.

למה שלא נייצר יותר מהמשי האלה למאכל אדם? עכבישים הם מכונות ייצור ביולוגיות נוראיות. גורם מצמרר בצד, הם מאוד קרביים - חברו כמה מאות ביחד, ובקרוב תישארו עם קומץ מנצחים ומעט מאוד מוצר.

הודות להנדסה גנטית, לעומת זאת, ייתכן שיש לנו כעת דרך לדלג על עכבישים כליל בייצור משי עכביש.

In מחקר שפורסם בשבוע שעבר, צוות מאוניברסיטת דונגואה בסין השתמש ב-CRISPR כדי ליצור תולעי משי מהונדסים גנטית שיכולות לייצר משי עכביש. החוטים המתקבלים קשים יותר מ-Kevlar - רכיב סינתטי המשמש לאפודים חסיני כדורים. בהשוואה לחומרים סינתטיים, משי עכביש כזה הוא אלטרנטיבה הרבה יותר מתכלה שאפשר להתאים אותה בקלות לייצור.

ד"ר ג'סטין ג'ונס מאוניברסיטת יוטה, שלא היה מעורב במחקר, נתן למארג החדש הנהון לאשר. החומר המתקבל הוא "סיב בעל ביצועים גבוהים באמת", הוא אמר ל מדע.

בינתיים, לדעת המחברים, האסטרטגיה שלהם אינה מוגבלת למשי עכביש. המחקר חשף מספר עקרונות ביו-פיזיקליים לבניית חומרי משי בעלי חוזק וגמישות יוצאי דופן.

ניסויים נוספים עשויים להניב טקסטיל מהדור הבא מעבר ליכולות הנוכחיות.

של תולעים, פרוקי רגליים והיסטוריה

הטבע מציע שפע של השראה לחומרים חדישים.

קח סקוטש, חומר הקרס שעשוי לתלות את מגבות האמבטיה שלך או לאבטח את הנעליים של ילדך. החומר שנמצא בכל מקום היה הוגה לראשונה על ידי המהנדס השוויצרי ג'ורג' דה מסטרל בשנות ה-1940 כשהוא מנסה לצחצח את המכנסיים שלו לאחר טיול. מבט נוסף מתחת למיקרוסקופ הראה שלפקעים היו ווים חדים שתפסו לולאות בבד. דה מסטרל הפך את מטרד הטיולים לבד הקרס והלולאה הזמין בכל חנויות לחומרי בניין כיום.

דוגמה פחות עוקצנית היא משי. תורבת לראשונה על ידי סין העתיקה לפני 5,000 שנה בערך, משי מסובבים מתולעי משי עגולות ומעורפלות וסובב לבדים באמצעות נולים פרימיטיביים. המשי העדין הללו התפשטו ברחבי מזרח אסיה ומערבה, וסייעו בהקמת דרך המשי האגדית.

עם זאת, כפי שיודע כל מי שהיה בבעלותו בגד או סדינים משי, אלו חומרים עדינים להפליא שנקרעים ומתפרקים בקלות.

האתגרים העומדים בפנינו עם משי תולעי משי משותפים לרוב החומרים.

בעיה אחת היא חוזק: כמה מתיחה חומר יכול להתמודד לאורך זמן. תארו לעצמכם מושכים סוודר מעט מכווץ לאחר הכביסה. ככל שלסיבים יש פחות חוזק, הסיכוי שהבגד יחזיק בצורתו קטן יותר. הבעיה השנייה היא קשיחות. במילים פשוטות, זה כמה אנרגיה חומר יכול לספוג לפני התפרקות. סוודר ישן יקפיץ חורים בקלות עם משיכה בלבד. מצד שני, קוולר, חומר חסין כדורים, יכול ממש לקחת כדורים.

למרבה הצער, שני המאפיינים סותרים זה את זה בחומרים המהונדסים של היום, אמר הצוות.

לטבע, לעומת זאת, יש פתרון: משי עכביש הוא גם חזק וגם קשוח. הבעיה היא לסכסך את פרוקי הרגליים לייצר משי בסביבה בטוחה ויעילה. בעלי חיים אלה הם טורפים אכזריים. מאה תולעי משי בשבי יכולות להתכרבל בשלום; זורקים מאה עכבישים יחד ומקבלים מרחץ דמים שממנו נשאר בחיים רק אחד או שניים.

רחם של תולעת עכביש

מה אם נוכל לשלב את מיטב תולעי המשי והעכבישים?

למדענים יש הרבה זמן רצה מהנדס "לפגוש-חמוד” תאריך לשני המינים בעזרת הנדסה גנטית. לא, זה לא רום-קום בין מינים. הרעיון המרכזי הוא להעניק גנטית לתולעי משי את היכולת לייצר משי עכביש.

אבל הגנים המקודדים לחלבוני משי עכביש הם גדולים. זה גורם להם להיתקע בקוד הגנטי של יצורים אחרים מבלי להכריע את התאים הטבעיים ולגרום להם להיכשל.

כאן, הצוות השתמש לראשונה בשיטה חישובית כדי לצוד את המבנה המינימלי של משי. המודל שהתקבל מיפה את ההבדלים בחלבון המשי בין תולעי משי ועכבישים. למרבה המזל, שני המינים מסתובבים סיבים ממבני חלבון דומים - הנקראים סיבי פוליאמיד - אם כי כל אחד מהם מבוסס על רכיבי חלבון שונים.

עוד קצת מזל הוא האנטומיה המשותפת. "בלוטות המשי של תולעי משי ביתיות ובלוטות משי עכבישים מציגות סביבות פיזיות וכימיות דומות להפליא", אמר הצוות.

באמצעות המודל, הם זיהו מרכיב קריטי שמגביר את חוזק המשי והקשיחות - חלבון משי קטן יחסית, MiSp, שנמצא ב- ארנאוס ventricosus עכבישים ממזרח אסיה.

עם CRISPR-Cas9, כלי לעריכת גנים, הצוות הוסיף גנים המקודדים ל-MiSp לתוך תולעי משי - בעצם דחף אותם לסובב משי עכביש. להשיג את זה היה סיוט טכנולוגי, שדורש מאות אלפים של הזרקות מיקרו לביצי תולעי משי מופרות כדי לערוך את בלוטות המשי שלהן. כבדיקת שפיות, הצוות הוסיף גם גן שגרם לעיניהם של תולעי המשי להאיר באדום רודף, מה שסימן הצלחה.

מחבר מחקר ג'ונפנג מי "רקד ולמעשה רץ אל" הסופר הראשי, משרדו של ד"ר מנג צ'ינג. "אני זוכרת היטב את הלילה ההוא, כשההתרגשות החזיקה אותי ער," אמרה מי.

משי עכביש תולעים המתקבלים הם בערך פי שישה יותר קשיחים מקוולר אבל עדיין גמישים. זה מפתיע, אמר ג'ונס, כי סיבים המשתמשים ב-MiSp לא תמיד נמתחים. כבונוס, תולעי המשי גם ריססו באופן טבעי מעין ציפוי מגן לחיזוק הסיבים. זה הפך אותם לפוטנציאליים יותר עמיד משי עכביש שנעשה באופן מלאכותי בעבר.

הצוות עוד בוחן את המודל החישובי שלהם לעיצוב משי תואם ביולוגית עבור תפרים רפואיים. מעבר לזה הם מקווים להיות יותר יצירתיים. ביולוגים סינתטיים רצו כבר זמן רב לפתח חומצות אמינו מלאכותיות (החלקים המולקולריים המרכיבים חלבונים). מה יקרה אם היינו מוסיפים חומצות אמינו סינתטיות לבדים מתכלים?

"החדרה של יותר ממאה חומצות אמינו מהונדסות טומנת בחובה פוטנציאל בלתי מוגבל לסיבי משי עכבישים מהונדסים", אמר מי.

קרדיט תמונה: Junpeng Mi, College of Biological Science and Medical Engineering, University Donghua, שנחאי, סין

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://singularityhub.com/2023/09/26/transgenic-silkworms-spin-spider-silk-6x-tougher-than-kevlar/