وقتی باکتری ها به کارخانه تولید تار عنکبوت تبدیل می شوند!
تعمیر تلفن: پژوهشگران «دانشگاه علم و فناوری هنگ کنگ» تلاش می کنند با تولید تار عنکبوت توسط باکتری ها، آنرا به یک شگفتی زیست پزشکی تبدیل کنند که نویدبخش نوآوری در تولید فیبر نوری، بهبود زخم و ترمیم بافت های بدن است.
به گزارش تعمیر تلفن به نقل از ایسنا و به نقل از ادونسد ساینس نیوز، ابریشم کاران برای قرن ها پادشاهی می کردند برای اینکه نخ هایی که از کرم های ابریشم ساخته می شدند، حسادت جهان باستان را برمی انگیختند. در دوران جدید، تار عنکبوت به علت خاصیت های فیزیکی شگفت انگیزش، به ماده ای برای حسادت کردن تبدیل گشته برای اینکه یک ترکیب قابل توجه از قدرت و انعطاف پذیری است.
«فی سان»(Fei Sun) پژوهشگر «دانشگاه علم و فناوری هنگ کنگ»(HKUST) اظهار داشت: متأسفانه، تکرار پروسه تولید تار عنکبوت در مقیاس بزرگ که شبیه به مزارع تاریخی کرم ابریشم است، به این زودی ها محقق نخواهد شد. من فکر نمی کنم تولید انبوه تار عنکبوت، واقع بینانه باشد و باور دارم که مقیاس پذیری هنوز یک مسئله بزرگ است.
بگفته سان، پرورش عنکبوت در مزارع به علت ماهیت تهاجمی و هم نوع خواری عنکبوت ها نا ممکن است. با این حال، پیشرفت های صورت گرفته در زیست شناسی مصنوعی به پژوهشگرانی مانند سان امکان می دهند تا تار عنکبوت را برای مصارف زیست پزشکی که نیازی به تولید در مقیاس بزرگ ندارند، تطبیق دهند.
سان و همکارانش روش جدیدی را برای تولید پروتئین های تار عنکبوت در باکتری ها توصیف کرده اند. پروسه پیشنهادی آنها نه فقط کارآمد است، بلکه به آنها امکان می دهد تا نخ ها را به مولکول های گوناگونی مجهز کنند که خاصیت های طبیعی تار عنکبوت را تقویت می کند یا حتی با بافت های زنده در تعامل قرار می گیرد.
شبکه ای از روش های جدید
این گروه پژوهشی برای ایجاد «تار عنکبوت قابل تنظیم»، دو فناوری ژنتیکی و شیمیایی را با هم ترکیب کردند. نخستین مورد یک روش زیست شناسی مصنوعی موسوم به «DNA نوترکیب»(Recombinant DNA) است که به پژوهشگران امکان می دهد تا ژن های ویژه را جداسازی و اصلاح کنند و حتی آنها را با ژنوم یک گونه دیگر ترکیب کنند.
سان با این روش توانست ژن های تار عنکبوت را به باکتری «اشریشیا کلی» انتقال دهد و سلول های باکتری را به کارخانه های تولید پروتئین تار عنکبوت تبدیل کند.
در مرحله بعد، گروه از روش نسبتا جدیدی در حوزه شیمی مصنوعی به نام «شیمی کلیک»(click chemistry) استفاده کردند. شیمی کلیک بطور خلاصه، روشی برای اتصال مؤثر مولکول های پروتئین است که به چیدن قطعات لگو شباهت دارد.
این گروه پژوهشی از روش شیمی کلیک برای افزودن یک برچسب ژنتیکی به پروتئین تار عنکبوت استفاده کردند که به عنوان نقطه اتصال برای سایر مولکول های مورد نظر عمل می کند. این کار، تار عنکبوت معمولی را به یک چارچوب تبدیل می کند که می توان آنرا با انواع مولکول های سودمند پوشاند.
رشته های کاربردی
پژوهشگران در دو آزمایش جداگانه توانستند قدرت این تکنولوژی جدید را نشان دهند. ابتدا رشته های تار عنکبوت را با آنزیمی به نام «سیلیکاتین»(Silicatein) پوشاندند. این آنزیم توسط اسفنج های دریایی برای تبدیل کردن اسید سیلیسیک به سیلیس استفاده می شود و ساختاری شیشه مانند است که اسفنج ها آنرا در بدن خود استفاده می نمایند.
نتیجه این کار، تولید یک هیبرید آلی-معدنی از پروتئین های تار عنکبوت بود که در پوششی از سیلیس شیشه مانند قرار داشت. این کار نه فقط ثابت کرد که پژوهشگران می توانند پروتئین های تار عنکبوت را اصلاح کنند، بلکه بگفته سان، شاید بتوانند این پروتئین را به فیبر نوری تبدیل کنند.
پژوهشگران برای نشان دادن پتانسیل پروتئین های تار عنکبوت در مصارف زیست پزشکی، پروتئین های تار عنکبوت را با مولکول هایی به نام «لیگاندهای متصل شونده به سلول» پوشش دادند. این مولکول ها همانطور که از نام آنها پیداست، به سطح سلول ها متصل می شوند و می توان از آنها برای اهداف گوناگونی در بدن مانند بهبود زخم و رشد بافت بهره برد.
پروتئین های تار عنکبوت که با یکی از دو لیگاند پوشش داده شده بودند، به عنوان بستری برای کشت سلولی مورد استفاده قرار گرفتند. تارهای پوشش داده شده با لیگاند بعد از ۱۰ روز رشد، با سلول های بیشتری نسبت به تارهای بدون پوشش پوشانده شدند. سلول های روی ابریشم های پوشش داده شده با لیگاند، به شکل بلندتری رشد کردند. این شبیه به نحوه رشد و عملکرد سلول های واقعی در بافت هایی مانند سیستم عروقی بود که نشان داده است این چارچوب ها را می توان برای بهبود زخم یا رشد مجدد بافت ها به کار برد.
قابلیت های بی پایان
بگفته سان، این یک اثبات امیدوارکننده برای مفهوم مورد نظر است. پروتئین های تار عنکبوت به علت قدرت، اندازه کوچک و توانایی مقاومت کردن در مقابل تخریب توسط آنزیم ها و پروتئین های بدن، گزینه مطلوبی هستند. علاوه بر این، چندین پژوهش ادعا کرده اند که تارهای عنکبوت، سیستم ایمنی را تحریک نمی کنند.
سان معتقد می باشد که حالا با داشتن روشی برای تولید بهینه تارهای عنکبوت و تبدیل کردن آنها به چارچوب های قابل تنظیم، کاربردهای بالقوه تنها محدود به انواع مولکول هایی است که می توانند به تارها متصل شوند. سان اظهار داشت: خوشبختانه، هوش مصنوعی پیشرفته نیز برای این کار در دسترس می باشد.
برنامه های هوش مصنوعی قوی مانند «آلفافولد»(AlphaFold) که نحوه تا شدن، عملکرد و اتصال مولکول ها و پروتئین ها را پیش بینی می کنند، به سان امکان می دهند تا نحوه عملکرد پروتئین تار عنکبوت و بهترین نحوه قرار دادن آنرا نشان دهد. بدین ترتیب، پژوهشگران بجای حدس زدن و انجام دادن آزمایش ها برای اینکه ببینند آیا این روش کارآیی دارد یا خیر، می توانند در مورد نتیجه فکر کنند و ببینند کدام پروتئین ها ممکنست برای هر سناریو کارآیی داشته باشند.
سان و همکارانش حالا درحال بررسی کردن کاربردهای خاصی برای پروتئین های عملکردی تار عنکبوت هستند؛ مانند یک پلت فرم برای رشد مجدد نورون ها یا رشد ارگانوئیدها. به نظر سان، این پیشرفت ها به خاطر توانایی نگاه کردن به طبیعت برای الهام گرفتن و یافتن راهکار است. وی ادامه داد: پژوهشگران می خواهند از سیستم های بیولوژیکی برای تولید کردن موادی استفاده نمایند که قابل مقایسه با کار اجداد ما یا حتی فراتر از کاری است که آنها برای ۱۰۰۰ سال انجام می داده اند.
این پژوهش در مجله «Advanced Functional Materials» به چاپ رسید.
این مطلب را می پسندید؟
(0)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان در مورد این مطلب