ในที่สุดนักวิทยาศาสตร์ก็พบว่าใยแมงมุมทำงานอย่างไร โดย CHARLIE WOOD | เผยแพร่เมื่อ 25 ต.ค. 2018 15:56 น. สิ่งแวดล้อม
เทคโนโลยี
แบ่งปัน
แม่ม่ายดำห้อยจากด้ายสามเส้น
แม่ม่ายดำปั่นใยแมงมุมที่แข็งแรงที่สุดบางส่วน ดังนั้นนักวิจัยจึงใช้ลำแสงอิเล็กตรอนของของเหลวไหมเพื่อดูว่ามันทำมาจากอะไร ฝากรูปถ่าย
ดูเหมือนว่าแมงมุมจะเอาชนะเราได้จนถึงยุคของวัสดุนาโนประมาณ 300 ล้านปี ปั่นอนุภาคนาโนให้เป็นเส้นด้ายที่แข็งแรงแต่ยืดหยุ่นได้ไกลเกินกว่าความสามารถในการผลิตสมัยใหม่ของเรา แต่ตอนนี้เรากำลังพยายามตามให้ทัน ศึกษาความลับของพวกเขาโดยใช้เทคโนโลยีขั้นสูงของเราเอง
ใยแมงมุมเริ่มต้นจากส่วนผสมที่เป็นซุประหว่างของเหลวกับเจล ซึ่งแมงจะบีบออกเป็นเส้นที่เหนียวสุด ๆ ต้องขอบคุณสูตรที่ซับซ้อนของความดัน ความเป็นกรด และสารเคมีเพิ่มเติม นักวิจัยรู้ว่าสิ่งที่เข้าไปในของเหลวและผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปมีลักษณะอย่างไร แต่ช่องว่างยังคงอยู่ในความเข้าใจว่าแมงมุมผลิต วัสดุ ที่แข็งแรงที่สุดชนิดหนึ่งในธรรมชาติได้อย่างไรที่อุณหภูมิห้องและไม่มีกลไกแฟนซี
ทีมนักชีวเคมีและนักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุต่าง ๆ
ได้ใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบเย็นพิเศษได้เจาะลึกเข้าไปในต่อมไหมของแม่ม่ายดำมากกว่าที่เคยเป็นมา งานของพวกเขาซึ่งปรากฏในรายงานของ National Academy of Sciences เมื่อวันจันทร์ ยืนยันว่าโปรตีนของแมงมุมรวมตัวกันเป็นลูกบอลขนาดนาโน และเป็นครั้งแรกที่เผยให้เห็นโครงสร้างที่เหมือนเกล็ดภายในลูกบอลเหล่านั้น นักวิจัยหวังว่าผลงานของพวกเขาจะช่วยผู้ที่พยายามปั่นใยแมงมุมในแบบที่เราผลิตไนลอนจำนวนมากในปัจจุบัน Nathan Gianneschiนักเคมีด้านวัสดุนาโนที่มหาวิทยาลัย Northwestern และหนึ่งในหัวหน้าทีมกล่าวว่า”การใช้งานจริงสำหรับวัสดุประเภทนี้ไม่มีขีดจำกัด”
ปัญหาหนึ่งสำหรับผู้ทอไหมคือไม่มีใครรู้ว่าโปรตีน “สไปดรอยน์” ทำอะไรในต่อมไหมของแมงมุมในขณะที่พวกมันเปลี่ยนจากโมเลกุลไปสู่เส้นไหม นักวิจัยสันนิษฐานมานานกว่าทศวรรษว่าเส้นใยจะม้วนตัวเป็นทรงกลมที่เรียกว่า “ไมเซลล์” เนื่องจากมีส่วนที่ดึงดูดน้ำและส่วนอื่นๆ ที่ขับไล่น้ำ แต่มีหลักฐานเพียงเล็กน้อยเกี่ยวกับทฤษฎีนี้ และไม่มีใครรู้ว่าไมเซลล์จะมีรูปแบบเฉพาะแบบใด
หลักฐานแรกที่ชัดเจนว่าสไปดรอยเชื่อมโยงกันมาจากนักชีวเคมีGregory Holland จากมหาวิทยาลัยซานดิเอโกสเต ท จากวิธีที่พวกมันเคลื่อนตัวผ่านของเหลวในสถานการณ์ต่างๆ เขาสรุปว่าอนุภาควัดได้หลายแสนล้านส่วนเมตรข้าม ซึ่งใหญ่เกินกว่าจะเป็นโปรตีนเดี่ยว Holland รู้สึกว่าผลลัพธ์เหล่านั้นมีความหวัง แต่มันไม่ได้จนกว่าเขาจะได้พบกับ Gianneschi ในการประชุมที่เขาตระหนักว่าพวกเขาสามารถไปได้ไกลกว่านั้น “นาธานต้องพูดและฉันก็พูดว่า ‘พระเจ้า ถ้าเราสามารถเห็นภาพสิ่งที่พวกเขาดูเหมือนได้’” ฮอลแลนด์เล่า
Gianneschi เชี่ยวชาญด้านกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านด้วยความเย็น ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่สร้างภาพวัตถุที่มีขนาดเล็กเกินไปสำหรับกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงโดยการยิงอิเล็กตรอนผ่านตัวอย่างบางๆ ที่อุณหภูมิเย็นจัด คนอื่นเคยลองใช้น้ำแมงมุมมาก่อน แต่ไม่มีใครพบวิธีเตรียมตัวอย่างโดยไม่ทำลายโครงสร้างโปรตีนที่ละเอียดอ่อน “ถ้าคุณหายใจเข้า มันก็จะเริ่มเปลี่ยนไป” ฮอลแลนด์กล่าว “เข็มเข้าไปแล้วดึงเส้นใยออกมาได้เลย”
พลังของเทคนิคการปิเปตแบบธรรมดายุบ
สไปดรอยน์ให้เป็นเส้นใยเส้นด้าย ดังนั้นทีมงานจึงพยายามผ่าแมงมุมแม่ม่ายดำและเตรียมของเหลวไหมทีละหยดอย่างช้าๆ และเบามือ โดยใช้เครื่องมือที่ทำเองต่างๆ ในที่สุด พวกเขาสามารถเก็บตัวอย่างได้อย่างปลอดภัย เท่าที่พวกเขาสามารถบอกได้ รักษาโครงสร้างตามธรรมชาติของโมเลกุลไว้
จากนั้นทีมงานได้สร้างภาพทีละชั้นขึ้นใหม่เพื่อดูลักษณะของกลุ่มโปรตีนไหม ไกลจากทรงกลมธรรมดาๆ พวกเขาพบว่าไมเซลล์นั้นเต็มไปด้วยมัดเล็กๆ หลายร้อยมัด ซึ่ง Gianneschi อธิบายว่าเป็น “เกล็ด” หรือ “ดิสก์” ซึ่งแต่ละเส้นใยสไปดรอยที่พันกัน เมื่อได้รับแรงดันอย่างเหมาะสม นักวิจัยสงสัยว่าสะเก็ดเหล่านี้ยืดออกเป็นเส้นใยที่กลายเป็นเส้นไหม พวกเขาหวังว่าในที่สุดโมเดลใหม่นี้จะช่วยให้ผู้ที่พยายามปรุงใยแมงมุมสังเคราะห์สามารถแก้ไขปัญหาสูตรของพวกเขาได้ โดยตรวจสอบว่าสไปดรอยน์ของพวกมันพันกันในลักษณะที่ต้องการหรือไม่
โมเดลใหม่นี้อธิบายถึงการรวมกลุ่มของโปรตีนที่จัดตัวเองได้
ซ้าย: โปรตีนสไปดรอยน์เดี่ยวรวมกันเป็น “เกล็ด” กับโปรตีนอื่นๆ ศูนย์กลาง: เกล็ดเหล่านี้รวมกันเป็นร้อยๆ เพื่อสร้าง “ไมเซลล์” ที่มีโครงสร้าง ขวา: แรงเฉือนยืดสะเก็ดเป็นเส้นใย ได้รับความอนุเคราะห์จาก Gregory Holland
Anna Rising และ Jan Johansson จากมหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์แห่งสวีเดน เมืองอัปซาลา ประเทศสวีเดน เป็นนักวิจัยสองคนดังกล่าว โดยเป็นหัวหน้าทีมนานาชาติที่บรรยายถึงผ้าไหมสังเคราะห์ที่แข็งแรงที่สุดเมื่อต้นปีที่แล้ว พวกเขายกย่องการศึกษาใหม่นี้ในการขยายทฤษฎีพื้นฐานของโปรตีนไหม แต่ชี้ให้เห็นว่ายังมีรายละเอียดอีกมากมายที่ขาดหายไป “ในอุดมคติแล้ว ใครๆ ก็อยากได้รูปภาพของการจัดเรียงสไปดรอยส์ที่ความละเอียดระดับอะตอม” พวกเขาเขียนไว้ในอีเมล การวิจัยก่อนหน้านี้ได้ศึกษาส่วนปลายของโปรตีน แต่สายโซ่กลางยังคงไม่จดที่แผนที่
พวกเขายังกล่าวอีกว่ากล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบเย็นจะเป็นเครื่องมือที่มีค่าสำหรับการเติมจุดว่างบางส่วนเหล่านี้บนแผนที่โปรตีนไหม ซึ่งส่งผลให้ Gianneschi และ Holland รู้สึกตื่นเต้นเช่นกัน ไหมของแม่ม่ายดำเป็นเส้นไหมที่แข็งแรงที่สุดในกลุ่มแมง และพวกเขาวางแผนที่จะดูสายพันธุ์อื่นเพื่อดูว่าไหมประเภทต่างๆ ของพวกมันตรงกับมัดโปรตีนรูปร่างต่างๆ หรือไม่
“ตอนนี้คุณก็รู้วิธีดูแล้ว” Gianneschi กล่าว “คุณไปดูได้”
