27 Νοε 2012

Ιστός αράχνης : Μεταξένιος, ελαστικός, δυνατότερος από ατσάλι !

Επί αιώνες ο άνθρωπος θαυμάζει τις αράχνες για την ικανότητά τους να κατασκευάζουν λεπτεπίλεπτα πλέγματα. Αν και εύθραυστα στην εμφάνιση, αυτά τα πλέγματα μπορούν να παγιδεύσουν τα έντομα κατά την πτήση τους και είναι τόσο ανθεκτικά ώστε να εγκλωβίζουν το θύμα  χωρίς να καταστρέφονται.  Σε αντίθεση με τεχνητά πολυμερή, όπως το Kevlar, το οποίο παρασκευάζεται με πίεση θερμού και όξινου διαλύματος του υλικού μέσω ειδικών ακροφύσιων σε λουτρό όπου και στερεοποιείται, για να ακολουθήσει πλύσιμο και στέγνωμα, το νήμα της αράχνης παράγεται από υδατικό διάλυμα σε συνήθη θερμοκρασία. Η ικανότητα του ιστού να συλλαμβάνει έντομα οφείλεται στο μοναδικό συνδυασμό των ιδιοτήτων του νήματος που είναι η αντοχή, η ελαστικότητα  (εκτείνεται έως 30%) και το πιο σημαντικό, η σκληρότητα. Το μετάξι της αράχνης μπορεί να είναι έξι φορές δυνατότερο από το ατσάλι κατά βάρος αλλά αυτό που το κάνει τόσο ιδιαίτερο είναι η αντοχή του μια και μπορεί να απορροφά μεγάλο ποσό ενέργειας χωρίς να σπάει. Μερικά τεχνητά υλικά είναι δυνατά αλλά δεν εμφανίζουν αυτή την ιδιότητα. Επιπλέον, το νήμα της αράχνης είναι βιοαποικοδομήσιμο και ανακυκλώσιμο, καθώς οι αράχνες επιδιορθώνουν τους ιστούς, τρώνε συχνά τα φθαρμένα τμήματα και χρησιμοποιούν ξανά τα δομικά υλικά.
Αυτά τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του νήματος της αράχνης το κάνουν ιδιαίτερα ενδιαφέρον σε διάφορα επιστημονικά πεδία. Πολυμερές παρόμοιο με το νήμα της αράχνης θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί στην ιατρική ως μη τοξικό νήμα μεγάλης αντοχής, ή ως υλικό επιδιόρθωσης συνδέσμων διότι όχι μόνο δε φθείρεται όσο συχνά και αν κάμπτεται αλλά επί πλέον μπορεί να αντέχει σε συνήθεις συγκρούσεις και σε μεγάλη πίεση. Ο στρατιωτικός τομέας επίσης ερευνά τις χρήσεις του υλικού αυτού μια και η ιδιότητά του να διασπείρει την ενέργεια  το καθιστά ιδανικό υλικό για κατασκευή ελαφρού εξοπλισμού.
Τα συνδυασμένα αποτελέσματα από τις ομάδες του ESRF (Ευρωπαϊκό Συγκρότημα Ακτινοβολίας Σύγχροτρον),  του ILL (Ινστιτούτο Laue - Langevin) και του συνεργαζόμενου τμήματος Ζωολογίας του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης στη Μεγάλη Βρετανία, έδειξαν ότι το νήμα της αράχνης είναι υλικό με ιεραρχική οργάνωση. Το υλικό έχει δομή βιοπολυμερούς αποτελούμενο από πρωτεΐνες φτιαγμένες σχεδόν αποκλειστικά από επαναλαμβανόμενα μοτίβα αμινοξέων όπως η αλανίνη και η γλυκίνη.
Τα μοτίβα της αλανίνης αποτελούν κρυσταλλικές περιοχές  οι οποίες διαχωρίζονται από μη κρυσταλλικές περιοχές πλούσιες σε γλυκίνη. Αυτές οι κρυσταλλικές και μη κρυσταλλικές δομές οργανώνονται σε ίνες που είναι βυθισμένες σε ένα άμορφο πρωτεϊνικό καλούπι. Οι επιστήμονες ακόμη δεν έχουν καταλήξει γιατί αυτή η δομή  εμφανίζει τις γνωστές εκπληκτικές ιδιότητες του νήματος της αράχνης.
Οι επιστήμονες εδώ και κάποιο διάστημα έχουν παρασκευάσει τις πρωτεΐνες του νήματος της αράχνης και ήδη κατανοούν σε μεγάλο βαθμό τη σχέση μεταξύ πρωτεϊνικής οργάνωσης  και αντοχής του νήματος. Εν τούτοις, απαιτείται περισσότερη δουλειά για να διερευνηθεί πλήρως  και να προσομοιωθεί ο μηχανισμός της πρωτεϊνικής συσπείρωσης και του σχηματισμού του νήματος. Στις αράχνες οι πρωτεΐνες του μεταξιού συντίθενται και εκκρίνονται σε αδένες με τη μορφή παχύρρευστου υγρού. Οι αγωγοί από τους αδένες οδηγούν σε ειδικούς σχηματισμούς. Κατά την έξοδό του το παχύρρευστο υγρό  συμπυκνώνεται ενώ το  pH αλλάζει  και οι πρωτεΐνες συσπειρώνονται. Κατά τη διεργασία της συμπύκνωσης η αράχνη μπορεί και αναρροφά και ανακυκλώνει το νερό. Σημαντικό ρόλο στο γνέσιμο της κλωστής παίζουν επίσης και άλλοι παράγοντες, όπως οι κινήσεις του σώματος της αράχνης.
Το πώς όλοι αυτοί οι παράγοντες συνδυάζονται και πως ο άνθρωπος μπορεί να μιμηθεί την αράχνη ώστε να παρασκευάσει τεχνητό νήμα στο εργαστήριο, αποτελεί ακόμη ανοιχτό πεδίο έρευνας. Στο ESRF, στο ILL και σε άλλα ερευνητικά κέντρα η Βιομιμητική αποτελεί μια σημαντική απόπειρα του ανθρώπου για να παρασκευάσει σημαντικά φυσικά υλικά τα οποία θα αποτελέσουν μια νέα γενιά φτηνών και πιο φιλικών προς το περιβάλλον υλικών.

Δεν υπάρχουν σχόλια: