پژوهشگرانی از کالج کینگز لندن و دانشگاه ایالتی سندیگو در ایالت کالیفرنیا سرانجام موفق شدهاند آنچه را که باعث میشود ابریشم عنکبوت از فولاد مقاومتر و از الیاف کولار سختتر باشد، رمزگشایی کنند.
درک سازوکارهای مولکولی برای علم و فناوری از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است، زیرا این شناخت نهتنها مسیر پایداری برای تولید الیافی همتراز با فولاد فراهم میکند، بلکه بهطور همزمان دیدگاههای ارزشمندی درباره ساختارهای پروتئینی ارائه میدهد که در بروز اختلالات مغزی انسان نقش دارند.
بهطور خاص، این یافتهها میتوانند به توسعه مواد زیستی جدید برای صنایع هوافضا، پوشاک محافظتی و کاربردهای پزشکی منجر شوند. کریس لورنز، استاد علم مواد محاسباتی، گفت که این پژوهش توضیحی در مقیاس اتمی ارائه میدهد از اینکه چگونه پروتئینهای بینظم به ساختارهایی بسیار منظم و با عملکرد مکانیکی بالا تبدیل میشوند.
ابریشم کششی عنکبوت یک شریان حیاتی محسوب میشود که استحکام شگفتانگیز آن از طریق یک فرایند زیستی بسیار پیچیده درون بدن عنکبوت شکل میگیرد. این فرایند در غده تولید ابریشم آغاز میشود، جایی که مادهای موسوم به خمیر ابریشم، که یک پروتئین مایع با غلظت بسیار بالا است، ابتدا متراکم شده و به صورت قطرات درمیآید و سپس به شکل رشتههایی جامد و فوقالعاده مستحکم از بدن عنکبوت خارج میشود.
اگرچه دانشمندان مدتهاست این دگرگونی از حالت مایع به جامد را مشاهده کردهاند، اما پیوند مولکولی دقیقی که این قطرات سیال را به ساختار نهایی با کارایی بالا تبدیل میکند، تا پیش از این ناشناخته باقی مانده بود. این پژوهش نخستین باری است که دانشمندان اسیدهای آمینه مشخصی یعنی آرژینین و تیروزین را شناسایی کردهاند که بهعنوان نوعی چسب مولکولی عمل میکنند و ویژگیهای افسانهای ابریشم عنکبوت را شکل میدهند.
برای شناسایی راز نهفته در ابریشم، تیم تحقیقاتی از ابزارهای پیشرفته شامل مدلسازی AlphaFold3، شبیهسازیهای مولکولی و طیفسنجی تشدید مغناطیسی هستهای استفاده کردند. این تحقیق نشان داد که جفت شدن خاص اسیدهای آمینه آرژینین و تیروزین مانند یک ماشه شیمیایی عمل میکند و خوشهبندی اولیه پروتئینها را آغاز میسازد؛ فرایندی که در نهایت به تشکیل الیاف جامد منجر میشود.
این برهمکنشهای آرژینین–تیروزین حتی در زمان جامد شدن الیاف نیز فعال باقی میمانند و بهعنوان شالوده معماری نانوساختاری عمل میکنند که برتری مکانیکی بیهمتای ابریشم عنکبوت را رقم میزند.
نکته جالب توجه این است که ترفندهای مولکولی مورد استفاده توسط عنکبوتها برای تنیدن تارهای خود شباهت زیادی به فرایندهای پیچیده پیامرسانی موجود در گیرندههای انتقالدهندههای عصبی و هورمونی انسان دارند. این موضوع باعث میشود ابریشم عنکبوت بهعنوان یک الگوی طبیعی بهینهشده برای مطالعه فرایندهای زیستی پیچیدهای مطرح شوند که در بدن انسان دچار اختلال میشوند.
این مطالعه نشان میدهد که نحوه سازمانیابی پروتئینهای ابریشم شباهت زیادی به رفتار پروتئینها در بیماریهایی مانند آلزایمر دارد. در هر دو مورد، چه در عنکبوتها و چه در انسانها، پروتئینها از حالتی شبیه مایع به ساختاری متراکم و سازمانیافته گذار میکنند؛ با این تفاوت که در عنکبوتها این فرایند به تولید مقاومترین الیاف جهان منجر میشود، اما در انسانها میتواند باعث شکلگیری پلاکهای غنی از ساختار بتا-شیت شود که عملکرد مغز را مختل میکنند.
این یافتهها نشان میدهد که پژوهش درباره ابریشم عنکبوت میتواند بینشهای تازهای درباره سلامت انسان ارائه دهد، بهویژه در زمینه درک نحوه عملکرد سیگنالدهی زیستی در سطح مولکولی.
نتایج این پژوهش در نشریه علمی Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شده است.