Μεταλλαγμένοι μεταξοσκώληκες για δυνατό μετάξι από αράχνες

Η παραγωγή μεταξιού είναι ένα θαύμα της φύσης που έχει εκμεταλλευτεί (και αυτό) ο άνθρωπος.

Πριν από χιλιετίες, κάπου στην Ανατολική Ασία, άρχισαν να εκτρέφονται δείγματα άγριου μεταξοσκώληκα (Bombyx mandarina). Λίγο μετά, είχε δημιουργηθεί ο οικόσιτος μεταξοσκώληκας (Bombyx mori). Καθώς πλησιάζει η στιγμή της μεταμόρφωσης, το σκουλήκι εκκρίνει ένα μεταξωτό νήμα. Η ίνα που παράγεται μπορεί να ξεπεράσει τα χίλια μέτρα σε μήκος. Το μετάξι είναι γυαλιστερό, ελαφρύ, πολύ μαλακό, βιοδιασπώμενο και σχετικά ανθεκτικό, αλλά στερείται άλλων μηχανικών ιδιοτήτων που έχουν περιορίσει τη χρήση του στην κλωστοϋφαντουργία, σε ορισμένες ιατρικές εφαρμογές και ελάχιστα άλλα. Αυτά λέει η επιστημονική ιστορία εδώ και αιώνες.

Η μαζική παραγωγή μεταξιού αράχνης θα μπορούσε να είναι εναλλακτική λύση στα συνθετικά υλικά, τα οποία -λόγω της αντοχής τους- γίνονται περιβαλλοντικό πρόβλημα όταν φτάνουν στο τέλος της χρήσης τους

Τώρα ήρθε η ώρα της αλλαγής. Της μετάλλαξης. Η ανάγκη για νέους πόρους. Πιο ανθεκτικούς. Για αυτό το «πρέπει» Κινέζοι ερευνητές κατάφεραν να τροποποιήσουν γενετικά μεταξοσκώληκες για να παράγουν μετάξι αράχνης! Τα νήματα από αυτούς τους μεταξοσκώληκες συνδυάζουν τις μηχανικές ιδιότητες των συνθετικών ινών όπως το νάιλον, που είναι από τις πιο ανθεκτικές, και το Kevlar, ένα υλικό που χρησιμοποιείται – μεταξύ άλλων – στα αλεξίσφαιρα γιλέκα. Οι συγγραφείς της έρευνας, που δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό «Matter», πιστεύουν ότι η μαζική παραγωγή μεταξιού αράχνης θα μπορούσε να είναι μια εναλλακτική λύση στα συνθετικά υλικά, τα οποία λόγω της αντοχής τους γίνονται περιβαλλοντικό πρόβλημα όταν φτάνουν στο τέλος της χρήσης τους.

Οπως ο μεταξοσκώληκας B. Μori, τα περισσότερα από τα 41.000 γνωστά είδη αραχνιδών παράγουν μετάξι. Με αυτό κατά νου, οι κινέζοι επιστήμονες εξέτασαν τη δυνατότητα παραγωγής μεταξιού αράχνης. Εκτός από ορισμένες δοκιμές στο εργαστήριο, η μαζική παραγωγή μεταξιού αράχνης φαινόταν φαινομενικά αδύνατη. Η γενετική φαίνεται πως δίνει τη λύση.

Χρησιμοποιώντας την τεχνολογία επεξεργασίας γονιδίων CRISPR εισήγαγαν γονίδια που περιέχουν πρωτεΐνες μεταξιού αράχνης στους εκκριτικούς αδένες του μεταξοσκώληκα. Η ανάλυση στη χημική δομή και τις μηχανικές ιδιότητες του μεταξιού ήταν το επόμενο βήμα.

Το μεταξωτό νήμα από τα μεταλλαγμένα σκουλήκια έδειξε «εντυπωσιακή αντοχή σε εφελκυσμό (1,3 GPa) και σκληρότητα (300 MJ/m³), ξεπερνώντας τη σκληρότητα του Kevlar 6 φορές» γράφουν οι συγγραφείς στα συμπεράσματα της εργασίας τους. Η πρώτη ιδιότητα – δύναμη – εκφράζεται σε Γιγκαπασκάλ, τη μονάδα πίεσης (GPα). Για σύγκριση, το πρώτο νάιλον που κατοχυρώθηκε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας από τον χημικό DuPont σχεδόν πριν από έναν αιώνα είχε αντοχή εφελκυσμού 0,08 GPa,. Η άλλη ιδιότητα – η σκληρότητα – εκφράζεται σε joule ανά κυβικό μέτρο. Η αξία που επιτυγχάνεται από το μετάξι της αράχνης είναι μία από τις υψηλότερες που έχουν καταγραφεί ποτέ για μια ίνα, είτε συνθετική είτε τεχνητή.

Ενας πόρος στρατηγικός

Ο επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, Junpeng Mi, ερευνητής στη Σχολή Βιολογικών Επιστημών και Ιατρικής Μηχανικής στο Πανεπιστήμιο Donghua της Κίνας, υποστήριξε ότι το μετάξι της αράχνης είναι «ένας στρατηγικός πόρος που χρειάζεται επειγόντως εξερεύνηση. Το υλικό θα μπορούσε να έχει ένα ευρύ πεδίο εφαρμογών, ξεκινώντας από την ιατρική. Ο τύπος της ίνας του μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως χειρουργικά ράμματα, καλύπτοντας μια παγκόσμια ζήτηση που υπερβαίνει τις 300 εκατομμύρια επεμβάσεις ετησίως».

Οι ίνες μεταξιού αράχνης θα μπορούσαν επίσης να έχουν εφαρμογές σε ρούχα, αλεξίσφαιρα γιλέκα, «έξυπνα» υλικά, αεροδιαστημική τεχνολογία και βιοϊατρική μηχανική. Το κλειδί, είπε, είναι να πάρουν αυτό που πέτυχαν με μερικά σκουλήκια στο εργαστήριο και να κλιμακώσουν τη διαδικασία. «Το μετάξι μεταξοσκώληκα είναι επί του παρόντος η μόνη ζωική ίνα μεταξιού που διατίθεται στο εμπόριο σε μεγάλη κλίμακα, με καθιερωμένες τεχνικές εκτροφής. Συνεπώς, η χρήση γενετικά τροποποιημένων μεταξοσκωλήκων για την παραγωγή ινών μεταξιού αράχνης επιτρέπει την εμπορευματοποίηση χαμηλού κόστους και μεγάλης κλίμακας» κατέληξε ο Μι.

Έντυπη έκδοση «ΤΑ ΝΕΑ»