O nici pajęczej słów kilka

Pająki wytwarzają nici do wielu celów, m.in. do budowy pajęczy, do obwijania swoich jaj

czy ofiary, jest też linią bezpieczeństwa podczas skoków. Nić jest w 50%

spolimeryzowanym białkiem: fibroiną (skleroproteina), w składzie którego

przeważają aminokwasy takie jak: glicyna, alanina, seryna czy tyrozyna.

Pająki podczas zagrożenia produkują dwa rodzaje białek, tak by móc być

przygotowanym na obronę przed wrogiem. W razie zagrożenia potrafią produkować nić

o długości nawet do jednego metra na sekundę!

Gruczoły przędne, które produkują sieci zawierają bardzo wysokie stężenie białek, a

ponadto dość wysoki poziom chlorku sodu, który hamuje formowanie oligomerów, w

przeciwnym wypadku (w razie braku soli) następuje niekorzystne tworzenie się oligomerów oraz agregację białek.

Wykorzystanie nici pajęczej

• Białko nici pajęczej jest rozpuszczalne w wodzie, właściwość ta pozwala na użycie nici pajęczych w mikrochirurgii. Ważne jest, by szwy mogły ulegać samodegradacji, tak jest właśnie z „pajęczym jedwabiem” stosowanym nie tylko jako nici chirurgiczne, ale i w zabiegach, gdzie celem jest wszczepienie sztucznego ścięgna czy więzadła. Przędza pająków, tak wytrzymała, może mieć także zastosowanie nie tylko medyczne i technologiczne ale i przemysłowe, np. do produkcji lekkich kamizelek kuloodpornych, żyłek wędkarskich, lin czy też jedwabiu spadochronowego.

• Nić pajęcza jest materiałem niezwykłym. Jest nie tylko pięć razy bardziej wytrzymała na rozciąganie od nici stalowej o tej samej masie, lecz dodatkowo jest bardziej elastyczna od gumy. Dzięki naukowcom z University of Akron dowiadujemy się o jeszcze jednej niezwykłej właściwości tego polimeru: zmienia on swoją długość pod wpływem zmian wilgotności powietrza, co oznacza, że może stać się materiałem do budowy sztucznych mięśni dla nanorobotów.

• Jak wspomina autor badań nad pajęczymi nićmi, prof. Ali Dhinojwala z Wydziału Nauk o Polimerach na University of Akron, kurczenie się i rozszerzanie nici pod wpływem zmian wilgotności zaobserwował jego kolega z Wydziału Biologii, prof. Todd Blackledge. Naukowcy z zespołu prof. Dhinojwali postanowili wykorzystać to zjawisko w praktyczny sposób i zbudowali prosty układ zdolny do podnoszenia ciężarów.

• Już podczas pierwszych obserwacji zauważono, że obniżenie wilgotności powietrza z 90% do 10% wystarcza, by nić o długości ok. 4 cm i średnicy 5,5 ?m była w stanie podnieść w ciągu trzech sekund ciężarek ważący 9,5 mg na wysokość 0,65 mm. Co prawda oznacza to skrócenie się włókna zaledwie o 1,7%, lecz siła wytworzona w tym procesie, przekraczająca 50-krotnie siłe wytwarzaną przez ważące tyle samo włókno ludzkiego mięśnia, robi niemałe wrażenie. Zupełnie niesamowicie brzmi za to wielkość naprężeń, z jakimi radzi sobie skracająca się nić, wynosiły one bowiem aż... 40 megapaskali.

Budowa i otrzymywanie:

Naukowcy z Technical University w Munich (Niemcy) pod kierownictwem Thomas'a

Scheibel'a dowiedli, że oddziaływanie między częścią hydrofobową a hydrofilna

białka jedwabiu pajęczego odgrywa niezwykle ważną rolę podczas jego oligomeracji. Ustalili także jak pH wpływa podczas produkcji pajęczego nici, jakie pH jest najkorzystniejsze. Naukowcy używając technik Inżynierii genetycznej, wyprodukowali białko pajęczego jedwabiu w jednym z Europejskich pająków ogrodowych - Araneus daidematus.

• Podczas oczyszczania białka zauważono, że ekstrakt rozdziela się na dwie fazy. Jedna faza zawiera dimery, druga natomiast oligomery (pojedyncze białka połączone ze sobą) tegoż białka. Po dodaniu fosforanu potasu - naturalnego inicjatora agregacji jedwabiu, ekstrakt przekształcił się z jedwabne nici. "Taka zmiana nie wynika z strukturalnej zmiany białka, ale raczej ze stopnia agregacji, tak ważnego aspektu podczas formowania nici" - powiedział Thomas Scheibel.

• Gruczoły przędne, które produkują sieci zawierają bardzo wysokie stężenie białek, a ponadto dość wysoki poziom chlorku sodu, który hamuje formowanie oligomerów, w przeciwnym wypadku (w razie braku soli) następuje niekorzystne tworzenie się oligomerów oraz agregację białek.

• Ponadto by zapobiec zbędnej oligomeracji proces ekspresji białka pajęczej nici powinien odbywać się w pH alkalicznym (takie pH jakie panuje w gruczołach przędnych). W wysokim pH, nienaładowane reszty tyrozynowe są deprotonowane co nadaje białku ładunek ujemny. Naładowane białko osłabia oddziaływanie w hydrofobowym regionie białka, który odgrywa istotną rolę podczas łączenie się białek w nici. Brak oddziaływań - sprzyjający brak formowania oligomerów.

Innym sposobem na wyprodukowanie pajęczyny były doświadczenia kanadyjskiego naukowca Jeffrey'ego Turner'a, który wyhodował genetycznie zmodyfikowane kozy, z gen pochodzący od ogrodowego krzyżaka (Araneus diadematus). Przędza z mleka (bo tak była produkowana) podczas kontaktu z powietrzem ulega samoorganizacji we włókna. Krzyżak wysnuwa nici dziesięciokrotnie cieńsze od ludzkiego włosa, które są w stanie zatrzymać pszczołę lecącą z prędkością 32 km/godz. Pajęcza lina o grubości ołówka byłaby w stanie zatrzymać lądujący odrzutowiec wojskowy. Sztuczne włókno pajęcze jest giętkie i mocne, choć wciąż nie tak wytrzymałe jak oryginał.

• Naukowcy z Instytutu Fizyki Mikrostrukturalnej im. Maxa Plancka w Halle wzmocnili naturalną nić pajęczą, wprowadzając do niej atomy metalu. W ten sposób będzie można udoskonalać właściwości również innych włókien naturalnych i sztucznych.

• Jak wiadomo, nić pajęcza jest materiałem niezwykle wytrzymałym. A nić pajęcza potraktowana jonami metalu jest trzy razy bardziej wytrzymała, niż zwykła pajęczyna.

• Mato Knez, naukowiec kierujący grupą badawczą, podkreśla, że udoskonalone włókno jest dwa razy odporniejsze na rozciąganie, niż włókno naturalne. Ponieważ materiał ten jest odporny również na silne szarpnięcia, sprawdzi się w charakterze lin dla alpinistów, znajdzie zastosowanie również w budowie samolotów i samochodów, a nawet w badaniach kosmicznych, a więc wszędzie tam, gdzie używane są lekkie, mocne i elastyczne materiały. Opracowana przez naukowców metoda pozwoli również na wzmacnianie innych włókien naturalnych, pod warunkiem, że w ich składzie zawarte są białka, takie jak na przykład kolagen.

• Naukowcy zauważyli, że nić pajęczą i inne włókna proteinowe wzmocnić można przez wprowadzenie do ich środka jonów metalu. Aby to osiągnąć, badacze musieli zmodyfikować metodę nakładania atomów warstwa po warstwie, zwaną Atomic Layer Deposition (ALD). Metoda ta służy do pokrywania włókien warstwami metalu. Ponieważ jednak naukowcy chcieli wprowadzić jony metali do wnętrza włókna, niezbędne było dokonanie niewielkich modyfikacji w aparaturze technicznej. Następnie za pomocą elektronowego mikroskopu transmisyjnego naukowcy przekonali się, że atomy metalu przeniknęły do wnętrza pajęczego włókna.

• Pomimo tego, że naukowcom nie udało się znaleźć odpowiedzi na pytanie, dlaczego metal wzmacnia włókna proteinowe, istnieją pewne podejrzenia. Atomy metalu łączą ze sobą cząsteczki protein. Zazwyczaj wiązania pomiędzy cząsteczkami tworzą atomy wodoru, lecz wiązania te są o wiele słabsze, niż wiązania tworzone przez atomy metalu. Taka teoria tłumaczyłaby więc, dlaczego nić wzbogacona o atomy metalu wytrzymuje więcej, niż nić naturalna.

Bibliografia:

http://www.biotechnolog.pl/news-547.htm

http://www.poloniainfo.se/forum/temat.php?temat=4871

http://www.focus.pl/newsy/zobacz/publikacje/wzmocnic-nic-pajecza/strona-publikacji/1/nc/1/

http://www.eurekalert.org/pub_releases/2002-01/nbi-nau011102.php

http://fakty.interia.pl/nauka/news/pajecza-nic-jest-jak-miesien,1387364

http://www.arachnea.org/forum/f24/pajeczyna-ludzie-nauczyli-sie-wytwarzac-pajecz-nic-t18439/

http://www.poznan.pl/mim/public/wos/documents.html?co=print&id=8589&parent=675&instance=1039&lang=pl&lhs=wos&rhs=wos

---