Mătăsos, elastic, şi mai tare ca oţelul! Understand article

Author(s): Giovanna Cicognan, Montserrat Capellas

Tradus de Mircea Băduţ. Poate fi pânza de păianjen răspunsul la anumite provocări medicale şi militare? Giovanna Cicognani de la Institut Laue-Langevin, şi Montserrat Capellas de la Instalaţia europeană de radiaţii în sincrotron (European Synchrotron Radiation Facility), Franţa,…

Pentru imagine, multumim
Richard Davies

Bio-mimetica este un subiect incitant în ştiinţa modernă, însă ideea că oamenii pot exploata proiectele evoluţioniste nu-i deloc nouă. Cu peste 400 de ani în urmă, Leonardo da Vinci studia păsările pentru a se inspira la maşinile sale de zbor. Astăzi, oamenii de ştiinţă din Franţa folosesc tehnici avansate pentru a lămuri secretele unui material care a stat la îndemână pentru mai mult de 150 de milioane de ani.

De secole am invidiat păianjenii pentru abilitatea lor de a crea pânze elegante. Deşi aparent fragile, aceste pânze pot opri insectele din zbor, şi sunt suficient de robuste pentru a imobiliza prada fără ca firele de mătase să se rupă. Firele ce alcătuiesc aceste remarcabile structuri sunt de fapt biopolimeri. Totuşi, spre deosebire de fibrele polimerice sintetice, cum ar fi Kevlar®-ul – care se obţin prin injectarea unui soluţii acide de polimer fierbinte printr-o mulţime de mici orificii (similare glandelor păianjenului) într-o baie de coagulare (urmată de spălare, tragere şi uscare) – firele pânzei de păianjen sunt produse la temperatura ambientului şi apoi filate dintr-o soluţie apoasă. Capacitatea pânzei de păianjen de a prinde insecte se datoreaza combinaţiei unice de proprietăţi mecanice: rezistenţa, extensibilitatea (cu până la 30%) şi, cel mai important, tenacitatea, adică rezistenţa la rupere. Pânza de păianjen poate fi de şase ori mai puternică decât oţelul, raportat la greutate, însă de fapt tenacitatea ei o face atât de specială, aceasta permiţându-i să absoarbă o cantitate mare de energie fără să se rupă. Materialele sintetice, precum Kevlar-ul, sunt puternice, dar le lipseşte această caracteristică. Mai mult, spre deosebire de Kevlar, pânza de păianjen este bio-degradabilă şi reciclabilă: atunci când îşi repară pânze, deseori păianjenii mănâncă părţi deteriorate ale pânzei şi absorb astfel substanţe utile.

Aceste proprietăţi speciale fac pânza de păianjen să fie de interes pentru multe domenii de cercetare. Un polimer bazat pe mătasea paianjenului ar fi ideal în medicină, ca fir rezistent şi netoxic pentru suturi chirigicale, sau ca meterial de reparare a ligamentelor, deoarece fibra, nu doar că nu oboseşte la flexări frecvente, dar rezistă şi la impacturi obişnuite şi la presiuni mari. Sectorul militar este interesat de acest material datorită capacităţii de a disipa energia mecanică, ceea ce l-ar face ideal pentru armuri uşoare.

Dar, înainte de a produce şi utiliza pânza de păianjen artificială, trebuie să înţelegem de unde îi vin proprietăţile sale mecanice. Experimente recente de la Institut Laue-Langevin (ILL) şi de la Instalaţia europeană de radiaţii în sincrotron (European Synchrotron Radiation Facility (ESRF)) din Grenoble, Franţa, au folosit dispersia de neutroni şi respectiv radiaţiile sincrotronice pentru a investiga caracteristicile microscopice ale pânzei de păianjen. Acest lucru a oferit cercetătorilor o perspectivă nouă asupra structurii firului, respectiv asupra proprietăţilor sale mecanice. Cele două tehnici – dispersia de neutroni şi radiaţiile sincrotronice – se completează reciproc. În timp ce radiaţiile sincrotronice, un tip iradiere cu raze Xw1 de foarte mare energie, permit studierea firului de pânză imediat ce a fost produs de păianjen, disperisa neutronică ne ajută să identificăm diferenţele în organizarea de proteine şi în afinitatea acestora la apă, ce are o influenţă marcantă asupra proprietăţilor mecanice. Neutronii, spre deosebire de radiaţiile sincrotronice, sunt dispersaţi în mod diferit de apa normală (conţinând hidrogen) şi de apa grea (care conţine deuteriu). Prin expunerea unui fir de păianjen la apă grea (la care atomii de hidrogen au fost înlocuiţi cu atomi de deuteriu), putem determina modul în care firul dispersează neutronii emişi către el. Aceasta ne va oferi informaţii despre contextul chimic în care se află atomii.

Structura nanofibrei.
Pentru imagine, multumim
Daniel Sapede

Rezultatele, obţinute printr-o cooperare ESRF şi ILL, şi în colaborare cu Departamentul de Zoologie al Universităţii din Oxford, Marea Britanie, arată că firul de păianjen este un material organizat ierarhic. Structura sa de biopolimer compozit este făcută din proteine, compuse aproape integral în motive repetitive formate din amino-acizi, precum alanina şi glicina. Modelele cu alanină formează domenii cristaline, care sunt separate de domenii non-cristaline, bogate în glicină.

Aceste domenii cristaline şi non-cristaline sunt organizate în nanofibre, care sunt încorporate într-o matrice amorfă de proteine. Oamenii de ştiinţă încă dezbat modul în care această structură determină uimitoarele proprietăţi mecanice ale firului de păianjen: se datorează unor „arce moleculare” în matricea amorfă de proteine, sau unor proprietăţi specifice structurii amorfe întărite cu domenii cristaline? (vedeţi figura)?

Cercetătorii au reuşit de ceva timp să producă în mod artificial proteine precum cele din firele de păianjen, iar acum înţelegem în ansamblu modul în care proteinele sunt organizate pentru a conferi acea rezistenţă impresionantă pânzei de păianjen. Totuşi, vor fi necesare eforturi pentru a înţelege – şi a putea reproduce – mecanismul de agregare a proteinei şi de formare a fibrei. La păianjen, proteinele firului sunt sintetizate şi secretate glandular ca un fel de cristal lichid vâscos. Acest lichid este apoi împins printr-o conductă lungă până la orificiul de ieşiere a firului cu care păianjenul îşi construieşte pânza. Pe drumul de ieşire a lichidului vâscos are loc un proces de îngroşare a firului şi de schimbare a pH-ului, rezultând în agregarea finală a proteinei de mătase. Păianjenul este capabil să resoarbă şi să recicleze apa în timpul acestor procese finale. Şi alţi factori, precum mişcările corpului de păianjen, pot juca un rol important în procesul de filare.

Cum anume interacţionează aceşti factori, şi cum ar putea fi ei imitaţi pentru a produce pânză de păianjen în laboratoare, sunt acum întrebări care îi preocupă pe oamenii de ştiinţă. La ESRF, ILL şi la alte institute din lume, cercetările în domeniul bio-mimeticii continuă, în speranţa găsirii unei alternative artificiale la unul dintre cele mai remarcabile materialele naturale – şi, odată cu aceasta, spre o nouă generaţie de materiale mai ieftine şi mai ecologice.

Web References

  • w1 – Pentru detalii suplimentare despre modul de folosire a radiaţiilor sincrotronice în cercetare, citiţi: Capellas M, Cornuéjols D (2006) Shipwreck: science to the rescue! Science in School 1: 26-29.

Resources

Institutions

Review

Articolul poate fi folosit în cadrul unor lecţii de chimie, biologie şi fizică, pentru copii cu vârste de 11-17 ani. În particular, el este potrivit pentru înţelegerea cristalografiei, a structurilor de tip grilă, şi a rolului pH-ului în agregarea proteinelor.

Eric Demoncheaux, Marea Britanie

License

CC-BY-NC-ND

Download

Download this article as a PDF