يتوق العديد من العلماء إلى فهم القدرة غير العادية للعناكب على غزل الخيوط الحريرية القوية والثقيلة والمرنة للغاية. في الواقع، حرير العنكبوت أقوى من الفولاذ وأشد صلابة من الكيفلار. ومع ذلك، لم يتمكن أحد حتى الآن من تكرار عمل العنكبوت.
إذا تمكنا من تطوير مواد اصطناعية بهذه الخصائص، فسيكون من الممكن ظهور عالم جديد تمامًا: يمكن أن يحل حرير العنكبوت الاصطناعي محل مواد مثل الكيفلار والبوليستر وألياف الكربون في الصناعة، على سبيل المثال في صنع سترات مضادة للرصاص خفيفة الوزن ومرنة.
تشارك إيرينا إياشينا، زميلة ما بعد الدكتوراه وعالمة الفيزياء الحيوية في قسم الكيمياء الحيوية والبيولوجيا الجزيئية بجامعة جنوب الدنمارك (SDU)، في السباق للعثور على تركيبة حرير العنكبوت الفائق. أصبحت مفتونة بحرير العنكبوت أثناء عملها على درجة الماجستير في جامعة جنوب الدنمارك، وتقوم حاليًا بالبحث في هذا الموضوع في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في بوسطن بدعم من مؤسسة فيلوم.
وكجزء من بحثها، تتعاون مع عالم الفيزياء الحيوية جوناثان بروير، وهو أستاذ مشارك في جامعة جنوب الدنمارك، وهو خبير في استخدام المجاهر المختلفة للنظر في الهياكل البيولوجية.
والآن، ولأول مرة معًا، استخدموا المجهر الضوئي لدراسة البنية الداخلية لحرير العنكبوت دون الحاجة إلى قطعه أو فتحه بأي شكل من الأشكال. وقد تم نشر النتائج الآن في مجلتي Scientific Reports وScan.
يوضح جوناثان بروير: "لقد استخدمنا العديد من تقنيات الفحص المجهري المتقدمة وقمنا أيضًا بتطوير مجهر ضوئي جديد يسمح لنا برؤية كل الطريق داخل الألياف".
حتى الآن، تم تحليل حرير العنكبوت باستخدام مجموعة متنوعة من التقنيات، وكلها قدمت رؤى جديدة. ومع ذلك، كما يشير جوناثان بروير، فإن هذه التقنيات أيضًا لها عيوب، لأنها غالبًا ما تتطلب قطع الخيوط (وتسمى أيضًا الألياف) إلى مقاطع للحصول على مقاطع عرضية للفحص المجهري، أو تجميد العينات، مما قد يغير بنية ألياف الحرير.
تقول إيرينا إياشينا: "أردنا دراسة الألياف النقية التي لم يتم قطعها، أو تجميدها، أو التلاعب بها بأي شكل آخر". للقيام بذلك، استخدم الفريق تقنيات أقل تدخلاً، مثل تشتت رامان المتماسك المضاد لستوكس، والمجهر متحد البؤر، والمجهر المستنفد الفلوري المنعكس متحد البؤر فائق الدقة، والمسح المجهري لأيون الهيليوم، وتناثر أيون الهيليوم.
أظهرت دراسات مختلفة أن ألياف حرير العنكبوت تتكون من طبقتين خارجيتين على الأقل من الدهون أو الدهون. وخلفها، أي داخل الألياف، يوجد العديد مما يسمى بالخيوط، والتي يتم ترتيبها في خطوط مستقيمة ومتقاربة جنبًا إلى جنب (انظر الشكل التوضيحي). يتراوح قطر الألياف بين 100 و150، وهو أقل من حد القياس للمجاهر الضوئية العادية.
وقال إياشينا: "إنها ليست ملتوية بقدر ما يعتقد الناس، لذلك نحن نعلم الآن أنه ليست هناك حاجة إلى تحريفها عند محاولة صنع حرير العنكبوت الاصطناعي".
ألياف حرير العنكبوت التي يستخدمها Ichina وBrewer تأتي من عنكبوت مدغشقر ذو المدار الذهبي (Nephila Madagascariensis). ينتج هذا العنكبوت نوعين مختلفين من حرير العنكبوت: أحدهما يسمى MAS (ألياف الحرير الأمبولات الرئيسية)، والذي يستخدم لبناء شبكات العنكبوت وهو أيضًا الحرير الذي تستخدمه العناكب للتعليق، والذي يمكن اعتباره شريان الحياة للعناكب؛ فهو قوي جدًا ويبلغ قطره حوالي 10 ميكرون.
والآخر يسمى MiS (ألياف الحرير الأمبولات الصغيرة) وهي مادة مساعدة للبناء. وهو أكثر مرونة ويبلغ قطره عادةً 5 ميكرون. ووفقاً لتحليل الثنائي، يحتوي حرير MAS على ألياف يبلغ قطرها حوالي 145 نانومتر. يبلغ قطر MiS حوالي 116 نانومتر. تتكون كل ألياف من البروتين، وهناك العديد من البروتينات المختلفة المعنية. يتم إنتاج هذه البروتينات بواسطة العناكب عندما تصنع ألياف الحرير.
من المهم فهم كيفية إنشاء مثل هذه الألياف القوية، لكن صنعها يمثل تحديًا أيضًا. ولذلك يعتمد الباحثون في هذا المجال في كثير من الأحيان على العناكب لإنتاج الحرير لها.
وبدلاً من ذلك، يمكنهم اللجوء إلى الأساليب الحسابية، وهو ما تفعله إيرينا إيتشنا حاليًا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: "في الوقت الحالي، أقوم بإجراء محاكاة حاسوبية لكيفية تحويل البروتينات إلى حرير. بالطبع، الهدف هو تعلم كيفية إنتاج حرير العنكبوت الاصطناعي، لكنني مهتمة أيضًا بمساعدة الناس على فهم العالم من حولنا بشكل أفضل."