wtorek, 15 maja 2012

Pancerna skóra?

Spiderman, człowiek pająk czy może Peter Parker to ta sama osoba, niezwykła postać stworzona najpierw na potrzeby komiksu, później kina. Peter Parker posiadał niezwykłe umiejętności, które pozwalały wykorzystywać mu pajęczą sieć. Do niedawno naukowcy pracujący nad podobnym wynalazkiem, byli wyśmiani przez swoich kolegów, aż udało im się odnieść w tej dziedzinie pewien sukces.

Jak wiadomo nić pajęcza jest materiałem o niezwykłych właściwościach. Niesamowicie wytrzymała na rozciąganie, nawet 5-krotnie mocniejsza od stali, jak również niezwykle elastyczna i bardziej odporna na pękanie niż kevlar, najbardziej wytrzymałe włókno wytworzone przez człowieka, wykorzystywane do produkcji kamizelek kuloodpornych. Ze względu na swoje właściwości nić pajęcza jest obiektem ciekawości i licznych badań wielu naukowców. Różne grupy chemików i technologów pracują nad zrozumieniem, w jaki sposób pająk przekształca wodny roztwór białek ze swoich gruczołów w nierozpuszczalną w wodzie nić o znakomitych własnościach mechanicznych.

Od wielu lat naukowcy spekulują na temat wykorzystania nici pajęczej w codziennym życiu. Do tej pory odkryto dwa geny odpowiedzialne za tworzenie protein stanowiących rdzeń konstrukcyjnych części pajęczyny. Zauważono również, że nić pajęczą i inne włókna proteinowe wzmocnić można przez wprowadzenie do ich środka jonów metalu, za pomocą elektronowego mikroskopu transmisyjnego. Wyobraźmy sobie, że windy w drapaczach chmur zawieszone są na włóknie wyprodukowanym przez pająka, i wzmocnionym przez naukowców atomami metalu. Byłoby to idealne rozwiązanie. Współczesne stalowe liny w takich windach muszą bowiem wytrzymać nie tylko ciężar kabiny, lecz również ciężar samych siebie. A im wyższe stają się wieżowce, tym grubsze — i cięższe — muszą być liny. Dlatego nie bez znaczenia staje się w tym kontekście najnowsze odkrycie. Materiał tak wytrzymały na rozciąganie, jak nić pajęcza wzmocniona atomami metalu, mógłby wywołać rewolucję nie tylko w budownictwie. 

Zainteresowana tematem przeglądając ostatnio prasę naukową, natknęłam się na ciekawy artykuł dotyczący wykorzystania przędzy pająka w dziedzinie jaka jest bioart, czyli sztuka biologiczna. Jako, że wcześniej nie zetknęłam się z tym określeniem, tym bardziej mnie ono zaintrygowało. Bioart w skrócie jest mieszanką sztuki, technologii i nauki, w której zacierają się granicę poszczególnych dziedzin. Tworzywem dla artystów – zamiast płótna, farb czy kamienia – jest żywa materia: komórki, tkanki, bakterie przekształcone w dzieła sztuki.

Okazuje się, iż holenderska artystka Jalila Essaïdi stworzyła kuloodporną skórę, dodając do ludzkich komórek przędzę pająka. Tłumacząc geneza projektu, artystka twierdzi, iż opiera się ona na jej fascynacji biologią i nowymi materiałami, które daje ludzkości biotechnologia. Dlatego wraz z grupą naukowców wprowadziła ona gen odpowiedzialny za powstawanie białka pajęczej przędzy do jaja jedwabnika. Otrzymano w ten sposób pajęczy jedwab, o połowę wytrzymalszy i elastyczniejszy niż zwykły jedwab. Posłużył on jako rusztowanie dla komórek skóry, dzięki któremu możliwe było odtworzenie naturalnej jej struktury. Gotowa pajęczo-ludzko-jedwabnikowa hybryda powędrowała do inkubatora, a po 5 tygodniach oczekiwań skóra Spidermana była gotowa. Następnie artystka przeprowadziła eksperyment, umieszczając swoją skórę w żelu balistycznym, imitującym ludzkie mięśnie. W kierunku skóry został wystrzelony pocisk, który przedzierając się przez „mięśnie”, zatrzymał się na skórze pozostawiając ją nie tkniętą. Ponieważ ten sukces był jedynie połowiczny, ze względu na obniżoną ilość prochu w pocisku, wykonano drugie podejście. Tym razem jednak standardowej, pędzącej kuli skóra już nie zatrzymała. Mimo to eksperyment zakończył się sukcesem i zainspirował liczne badania naukowe w tym zakresie.

Przewiduje się ze w przyszłości taka przędza może znaleźć mnóstwo zastosowań. Od superwytrzymałych materiałów np. lin stosowanych do podtrzymywania mostów wiszących, cieńszych i mocniejszych nici chirurgicznych zmniejszających urazy tkanek i krwawienie przy szyciu ran, po rusztowania do hodowania skóry czy więzadeł. Jednak nie wszystko jest takie proste jak się wydaje. Gen wprowadzony do jedwabnika pozwolił otrzymać jedwab, który jedynie w 4% składał się z pajęczego białka. Natomiast czy możliwe jest otrzymanie tkaniny będącej w 100% przędzą pająka? Odpowiedź na to pytanie już padła. Niedawno ekspert tkactwa Simon Peers i przedsiębiorca Nicholas Godley stworzyli 2 niepowtarzalne pajęcze tkaniny: szal i pelerynę. Problem w tym, iż przy ich produkcji pracowało ponad 80 osób przez 8 lat. Proces ten trwał tak długo ponieważ pająki okazały się stworzeniami aspołecznymi. W przeciwieństwie do jedwabników, nie da się ich hodować. Zabijają się i zjadają, aż każdy pająk uzyska tyle terenu ile potrzebuje, a aby wytworzyć 1kg materiału, potrzeba ok. 1,3 mln kokonów. Całe przedsięwzięcie okazuje się wiec nieopłacalne. Dodatkowo na świecie żyje ok. 41 tys. gatunków pająków, a każdy z nich tka kilka rodzajów sieci o różnej wytrzymałości. W związku z tym, badania opierają się także na możliwości wprowadzenia genów pajaką do organizmu pozwalającego otrzymać materiał jeszcze bardziej wytrzymały, niż ten pochodzący od jedwabników.

Co ciekawe, niemieccy naukowcy również stworzyli pajęczo-ludzką skórę. Ich hybryda powstała w bardzo podobny sposób jak kuloodporna skóra Essaïdi. Główną różnicą jednak było pochodzenie materiału. Niemcy do budowy rusztowania dla komórek skóry wykorzystali naturalną przędzę wiodącą pająków Nephila spp. Okazało się, że taka pajęcza skóra idealnie nadaje się do przeszczepów, gdyż nie pokryta jest ona serycyną – białkiem, które może prowadzić do odrzucenia skóry. Ich publikacja zbiegła się w czasie z projektem Essaïdi, co jedynie potwierdza, że artyści również mogą przyczyniać się do rozwoju dyscyplin badawczych. Jednak w przypadku niemieckich naukowców, skóra nadająca się do transplantacji nie jest już sztuką, a nauką!

Jak potwierdzają eksperymenty, niegdyś niezwykłe i nieodgadnione zdolności pajęczych nici, obecnie mogą stać się materiałem wykorzystywanym w codziennym życiu. Odkrycia genów odpowiedzialnych za tworzenie pajęczej przędzy, wszczepianie ich do bardziej skłonnych do współpracy organizmów oraz pozyskiwanie pajęczego jedwabiu i tworzenie niezwykle lekkich tworzyw przy czym bardzo wytrzymałych, może mieć szerokie zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu. Bioart rozwijający się prężnie na Zachodzie (w Polsce niestety praktycznie nie istniejący), skłania ludzi do innego myślenia, niezgodnego z utartymi schematami. Zapoczątkowane przez Essaïdi eksperymenty nad kuloodporną skórą, zainspirowały świat naukowy. Taki pajęczy materiał ma już swoje pierwsze zastosowanie w medycynie, jakim jest budowa sztucznych osłonek nerwów.

Myślę, że w przyszłości wzmocnione pajęczym genem naturalne włókna będą wykorzystywane w każdej dziedzinie życia i pozwolą nie tylko na tworzenie wytrzymalszych konstrukcji, ale co interesuje mnie jako biotechnologa szczególnie, będą pozwalały tworzyć np. tkanki dla transplantologii. Jak widać era pająka dopiero przed nami.

Joanna Wiśniewska (studentka biotechnologii)

Opracowano na podstawie:

(Fot. S. Czachorowski)

Brak komentarzy:

Prześlij komentarz