يعد حرير العنكبوت أحد أقوى المواد على وجه الأرض، وهو أكثر صلابة نسبيا من الفولاذ، ومع ذلك يبدو أن العلماء قادرون على تطوير مادة أفضل.
ووفقا لبحث نُشر في مجلة ACS Nano، فإن المهندسين في جامعة واشنطن في سانت لويس يمتلكون الطبيعة الأم، ويصممون بروتينات حرير هجينة أكثر مرونة.
وفي عام 2018، قام فوزهونغ تشانغ، أستاذ البيولوجيا التركيبية في الجامعة، بتقسيم الجينات المنتجة للحرير إلى بكتيريا وإنتاج ألياف معاد التركيب على قدم المساواة مع حرير العنكبوت.
وقال تشانغ في بيان: "بعد عملنا السابق، تساءلت عما إذا كان بإمكاننا صنع شيء أفضل من حرير العنكبوت باستخدام منصتنا للبيولوجيا الاصطناعية".
لذا عمل فريقه على تعديل تسلسل الأحماض الأمينية لبروتينات حرير العنكبوت لإدخال بعض الخصائص الجديدة، مع الاحتفاظ بالخصائص الأخرى.
ومن المكونات الأساسية في حرير العنكبوت، الطبيعي أو الاصطناعي، بلورات بيتا النانوية، وهي جزيئات مجهرية تزيد من المرونة والمتانة.
وأشار تشانغ: "اكتشفت العناكب كيفية غزل الألياف بكمية مرغوبة من البلورات النانوية. ولكن عندما يستخدم البشر عمليات الغزل الاصطناعية، فإن كمية البلورات النانوية في ألياف الحرير الاصطناعية غالبا ما تكون أقل من نظيرتها الطبيعية".
وللتغلب على هذه العقبة، أدخل المهندسون تسلسلات بروتينية طويلة ذات ميل كبير لتكوين بلورات بيتا نانوية، وهي في الواقع سهلة الإنتاج في المختبر.
وأنتجت البكتيريا بروتين أميلويد بوليمري هجين مع 128 وحدة متكررة، وفقا للتقرير، ما أدى إلى ألياف بمتوسط ​​قوة شد نهائية تبلغ حوالي 1000 ميغاباسكال (MPa).
وقوة ميغاباسكال هي مقياس لمقدار القوة اللازمة لكسر الألياف ذات القطر الثابت، وبالمقارنة، فإن قوة الشد للصلب الهيكلي هي 400 ميغاباسكال وللصلب الكربوني 841 ميغاباسكال.
وبالنسبة للعناكب، فهي تتراوح من 450 وصولا إلى 2000 ميغاباسكال.
وبفضل العدد المتزايد من البلورات النانوية، كان للألياف صلابة متوسطة تبلغ حوالي 161 ميغاغول/ م 3 (متر مكعب)، وهي أعلى من الكيفلار وجميع ألياف الحرير السابقة المؤتلفة، كما يقول الباحثون، أعلى حتى من بعض ألياف حرير العنكبوت الطبيعية.
وقال تشانغ: "هذا يوضح أنه يمكننا هندسة علم الأحياء لإنتاج مواد تتفوق على أفضل المواد في الطبيعة".
وربما ليس الأفضل على الإطلاق، حرير عنكبوت الذئب هو أصعب مادة بيولوجية معروفة للإنسان، بمتوسط ​​صلابة 350 ميغاغول/ م 3 (قام البعض بغزل الحرير حتى 520 ميغاغول / م 3).
ومع ذلك، جرب فريق تشانغ بضع آلاف من مجموعات تسلسل البروتين المحتملة، وفتح الباب أمام ألياف أقوى تحاكي خصائص حرير العنكبوت الطبيعي.
وقال المؤلف الرئيسي جينغياو لي، وهو مرشح لدرجة الدكتوراه في مختبر تشانغ: "يبدو أن هناك إمكانيات غير محدودة في هندسة المواد عالية الأداء باستخدام منصتنا".