Oamenii de știință au dezvăluit secretul molecular care face mătasea de păianjen mai puternică decât oțelul, deschizând calea către materiale futuriste și noi indicii despre bolile cerebrale.
Cercetătorii au descoperit interacțiunile moleculare care conferă mătăsii de păianjen combinația remarcabilă de rezistență și flexibilitate. Descoperirea ar putea ajuta oamenii de știință să proiecteze noi materiale bio-inspirate pentru avioane, echipamente de protecție și utilizări medicale, oferind în același timp informații despre tulburări neurologice, cum ar fi boala Alzheimer.
Studiul, publicat în revista Proceedings of the National Academy of Sciences de către oamenii de știință de la King's College London și San Diego State University (SDSU), prezintă principii fundamentale de proiectare care pot ghida crearea unei noi generații de fibre de înaltă performanță, ecologice. Important, cercetarea este prima care explică modul în care aminoacizii din proteinele de mătase de păianjen interacționează într-un mod care le permite să acționeze ca „autocolante” moleculare, menținând materialul împreună pe măsură ce se formează.
Chris Lorenz, profesor de știința materialelor computaționale la King's College London și liderul echipei de cercetare din Marea Britanie, a subliniat potențialul larg al descoperirilor. „Aplicațiile potențiale sunt vaste - îmbrăcăminte de protecție ușoară, componente de avioane, implanturi medicale biodegradabile și chiar robotică moale ar putea beneficia de fibre proiectate folosind aceste principii naturale”, a spus el.
De ce mătasea de păianjen este mai puternică decât oțelul
Mătasea de trăsătură de păianjen este cunoscută pentru performanța sa extraordinară. Kilogram cu kilogram, este mai puternică decât oțelul și mai rezistentă decât Kevlar - materialul folosit pentru fabricarea vestelor antiglonț. Păianjenii se bazează pe acest material pentru a construi cadrul structural al pânzelor lor și pentru a se suspenda, iar oamenii de știință au fost mult timp fascinați de modul în care natura produce o astfel de fibră excepțională.
Acest tip de mătase este fabricat în interiorul glandei de mătase a unui păianjen, unde proteinele de mătase sunt stocate ca un lichid gros numit „drog de mătase”. Când este nevoie, păianjenul rotește acest lichid în fibre solide cu proprietăți mecanice remarcabile. Oamenii de știință știau deja că proteinele se adună mai întâi în picături asemănătoare lichidelor înainte de a fi trase în fibre. Cu toate acestea, pașii moleculari care conectează această grupare timpurie cu rezistența finală a mătăsii au rămas un mister.
Interacțiunile moleculare din spatele formării mătăsii
Pentru a rezolva acest puzzle, o echipă interdisciplinară de chimiști, biofizicieni și ingineri a folosit o gamă de tehnici computaționale și de laborator avansate. Acestea au inclus simulări de dinamică moleculară, modelare structurală AlphaFold3 și spectroscopie de rezonanță magnetică nucleară. Analiza lor a relevat faptul că doi aminoacizi, arginina și tirozina, interacționează într-un mod specific care determină gruparea proteinelor de mătase în cele mai timpurii stadii. Aceste interacțiuni nu dispar pe măsură ce mătasea se solidifică. În schimb, ele rămân active pe măsură ce fibra se formează, ajutând la construirea nanostructurii complicate care conferă mătăsii de păianjen rezistența și flexibilitatea excepționale.
„Acest studiu oferă o explicație la nivel atomic a modului în care proteinele dezordonate se asamblează în structuri foarte ordonate, de înaltă performanță”, a spus Lorenz.
Legături cu știința creierului și cercetarea Alzheimer
Gregory Holland, profesor SDSU de chimie fizică și analitică care a condus partea americană a studiului, a spus că complexitatea chimică a procesului a fost neașteptată.
„Ceea ce ne-a surprins a fost că mătasea - ceva la care ne gândim de obicei ca o fibră naturală frumos de simplă - se bazează de fapt pe un truc molecular foarte sofisticat”, a spus Holland. „Aceleași tipuri de interacțiuni pe care le-am descoperit sunt utilizate în receptorii neurotransmițătorilor și în semnalizarea hormonală.”
Datorită acestei suprapuneri, cercetătorii cred că descoperirile pot avea implicații dincolo de știința materialelor.
„Modul în care proteinele de mătase suferă separarea fazelor și apoi formează structuri bogate în foi β reflectă mecanismele pe care le vedem în bolile neurodegenerative, cum ar fi Alzheimer”, a spus Holland. „Studierea mătăsii ne oferă un sistem curat, optimizat evolutiv, pentru a înțelege modul în care separarea fazelor și formarea foilor β pot fi controlate.”