Ez a fekete özvegy acélerős fonalának titka

2018.10.27. 17:19

A fekete özvegyek nemcsak mérgükről, hanem acélerős fonadékukról is ismertek, melynek titka a selyemfehérjék nanoszintű szerveződésében rejlik. Korlátlan lehetőségeket nyitna, ha utánozni tudnánk ezt a szerkezetet.

Az özvegypókok nemzetségébe tartozó pókfajok csak részben szolgálnak rá az őket övező közrettegésre. Mérgük valóban potenciálisan veszélyes az emberre – súlyos izomfájdalmat, hasi görcsöket, izzadást, heves szívdobogást okoz –, és az is igaz, hogy a feketeözvegy-hímek, ha csak tehetik, jóllakott nőstényekkel párosodnak, nehogy a nász után az ara lakomájává váljanak. De az USA-ban az évi több ezer bejelentett csípésből mindössze tucatnyi okoz valóban aggasztó tüneteket, és legalább száz éve nem jegyeztek fel halállal végződő esetet.

Jóval kevesebben tudják a fekete özvegyekről, hogy az általuk szőtt pókfonál legalább annyira kivételes, mint rettegett mérgük. A Northwestern University és a San Diego State University kutatói most annak részleteit derítették fel, miként szerveződnek a fekete özvegyek szövőmirigyében termelődő fehérjék abba a sajátos struktúrába, ami az acéllal vetekedő ellenálló-képességet kölcsönöz a pókfonálnak. E tudás birtokában hasonlóan erős szintetikus anyagokat lehetünk képesek létrehozni.

A természet tökéletes fejlesztése

A fekete özvegy és rokonai Észak- és Dél-Amerika, Európa, Ázsia, Ausztrália és Afrika mérsékelt égövi területein honosak, és közös tulajdonságuk, hogy az általuk termelt pókselyem kivételes anyagtulajdonságokkal bír. A pókfonal általánosságban is igen lenyűgöző anyag, hiszen szakítószilárdsága elérheti az 1,75 gigapascalt – a különböző acélok hasonló mutatója 0,2 és 2 gigapascal között változik –, miközben akár 26 százalékos megnyúlást is elvisel szakadás nélkül. A fekete özvegyek pókselyme ezen az erős mezőnyön belül is a felső kategóriában foglal helyet.

A tudósok régóta ismerik a fontosabb pókselyemfehérjék elsődleges aminosav-szekvenciáját, és alaposan tanulmányozták a fonalak és hálók szerkezetét. Arról azonban, hogy a szövőszemölcsökben termelődő fehérjék hogyan állnak össze előzetesen, majd szerveződnek fonállá a szövés közben, csupán elméletek léteztek. A korábbi kutatások alapján az a teória rajzolódott ki, hogy a selyemfehérjék nanoméretű amfifil micellák, vagyis vízben oldódó és nem oldódó molekulákból álló apró gömböcskék formájában várakoznak a szövőszemölcsben, ahonnan a szövéskor előbukkannak, és létrehozzák a selyemfonalat. De amikor mesterséges körülmények között megpróbálták reprodukálni ezt a folyamatot, valahogy sosem jött ki semmi olyan, ami akár csak megközelítette volna a természetes pókfonál teherbírását és egyéb tulajdonságait.

Forrás: hemis.fr/BLANCHOT Philippe / hemis.fr/Blanchot Philippe

„A tudásunkban a fehér folt pont középen volt: azt nem értettük pontosan, hogy mi zajlik nanoszinten a selyemtermelő mirigyekben és a szövőjáratokban. Azokat a tárolási-, átalakulási- és transzportfolyamatokat nem ismertük, amelyek a fehérjék fonállá alakulása közben zajlanak" – mondta el Nathan C. Gianneschi, a Northwestern kutatója. Gianneschi a Weinberg College of Arts and Sciences kémia tanszékének, valamint a McCormick School of Engineering anyagtudományi és orvosmérnöki tanszékeinek professzora, és nem ma kezdte az ipart: Gregory P. Holland-del, a Proceedings of the National Academy of Sciences-ben most megjelent cikk másik fő szerzőjével együtt már több mint 40 tudományos közleményt jegyeznek a pókselyem tárgykörében.

Nem lesz egyszerű feladat lemásolni

Egymást kiegészítő modern vizsgálati technikák – például az orvosi képalkotáshoz használt MRI rokona, a magmágneses rezonancia-spektroszkópia, valamint elektronmikroszkópia – segítségével a kutatócsoport minden eddiginél részletesebb modellt tudott alkotni a selyemfonalakat termelő fehérjemirigy belsejében végbemenő történésekről. Kiderült, hogy a fehérjék összeszerelődése a korábban gondoltnál jóval bonyolultabb, többszintű folyamat. A „módosított micella-elmélet" szerint a selyemfehérjék nem egyszerű, gömb alakú micellákként kezdik pályafutásukat, hanem rögtön komplex, összetett micellákat alkotnak. Valószínűleg ez az egyedülálló szerkezet felelős a fekete özvegyek pókfonalának lenyűgöző képességeiért.

Megtudtuk, hogy a fekete özvegy hierarchikusan felépülő, 200-500 nanométer átmérőjű nanoszerkezetekből fonja selyemszálát, amelyek a pók potrohában tárolt fehérjékből épülnek fel. Nem véletlenszerűen összekevert fehérjék, vagy fehérjék alkotta egyszerű gömböcskék szolgáltatják tehát az alapanyagot" – hangsúlyozta Holland.

Forrás: hemis.fr/BLANCHOT Philippe / hemis.fr/Blanchot Philippe

Ha sikerülne valamiképp mesterségesen reprodukálni ezt az eljárást, „az ehhez hasonló anyagok gyakorlati felhasználásának lényegében korlátlanok lennének a lehetőségei" – emelte ki a kutató, és csak példaképpen említette a hadsereg, az elsősegélynyújtók vagy az atléták számára tervezett textileket, a kábelhidakhoz és egyéb építményekhez használható építőanyagokat, a mai műanyagok környezetbarát alternatíváit, valamint az orvosi alkalmazásokat.

Nem lehet túlbecsülni azt a hatást, amit ennek a természetes folyamatnak a szintetikus lemásolása, a mesterséges pókfonalak megfelelő méretskálán való előállítása gyakorolna az anyag- és mérnöki tudományokra – szögezte le végül Gianneschi. – Egy szóban összefoglalva: forradalmi lenne."