البراق
11-06-2021, 11:27 PM
https://i.servimg.com/u/f34/19/88/75/19/822.jpg
ابتكر الباحثون بلاستيكياً نباتياً وأضافوا جزيئات نانوية - وهي جسيمات أصغر من جزء من المليون من المتر. هذا يعني أنه يمكنهم التحكم في بنية المادة لإنشاء أغشية مرنة، باستخدام مادة تشبه حرير العنكبوت على المستوى الجزيئي. لقد أطلقوا عليه اسم "حرير العنكبوت النباتي".
خيوط العنكبوت هي من أكثر المواد الطبيعيّة إثارة للدهشة. ويمكن تسميتها بالمواد الفريدة، نظراً لخصائصها المتميِّزة. فقد جاء في مقالة نُشرت في مجلة (e-Polymers)، في شهر أغسطس 2020م، أن متانة خيوط العنكبوت الميكانيكيّة، وطواعيتها مع الحرارة، وتركيبتها، لا تقارَن بما لدى المواد البيولوجيّة الأخرى. وهي تمتلك أيضاً تمغّطاً (elasticity) ومتانة لا مثيل لهما. إن نسبة هذه المتانة إلى الوزن، تفوق خمسة أضعاف نسبة متانة الصلب إلى وزنه. ومع هذا فإن مرونة خيوط العنكبوت تفوق مرونة النايلون مرتين، وتفوق مرونة ألياف كفلار (علامة تجارية لألياف اصطناعية)، ولذا يمكن استخدامها للدروع الواقية للجسم. كذلك هي قابلة للتحلّل البيولوجي، وليست سامة للبشر، وهكذا يمكن أن تُستخدم لأغراضٍ طبيةٍ وجراحيةٍ أيضاً. لقد تبيّن أن لخيوط العنكبوت أوجه استخدام وتطبيقات في ما لا يُحصَى من الحقول العلميّة. لكن مع الأسف، العناكب مخلوقات أرضيّة مفترسة آكلة للحوم، وهي لا تتورّع عن أكل لحم جنسها، ولذا فإنتاجها على نطاق واسع هو تحدٍّ قائم.
بديل اصطناعي
على ضوء هذا الواقع، يبدو أن مستقبل التوسّع في إنتاج خيوط العنكبوت يكمن في بديلها الاصطناعي. لقد حاول العلماء أن ينتجوا خيوط عنكبوت بيو-اصطناعيّة بالاستعانة بفصائل عديدة أخرى مختلفة، تراوح بين دود الحرير والماعز. وثَمَّة أصناف مختلفة من البكتيريا أيضاً مرشّحة لأن تشكِّل مصدراً لهذا البديل المنشود. ففي مقالة في نشرة "ساينس ديلي" (Science Daily)، في أغسطس 2018م، تمكَّن باحثون في جامعة واشنطن في سانت لويس (ولاية ميزوري الأمريكية)، من أن يحققوا خطوةً حاسمة على هذا الصعيد. إذ يقولون إنهم طوّروا بكتيريا يمكنها أن تنتج خيوط عنكبوت بيو-اصطناعيّة، تمتاز بجميع الخصائص المهمّة في خيوط العنكبوت الطبيعية. وفي هذا الإطار اهتدوا، خلال بحثهم، إلى اكتشافٍ مهمٍ جداً: فـ"مقاومة الشدّ والمتانة في خيوط العنكبوت تبقى متناسبة إيجاباً مع وزن الجزيئات التي تكوّنها - فكلما كبر الجزيء، تعاظمت متانة الخيوط - حتى في الخيوط الاصطناعيّة". وهذا يعني أن على العلماء، إذا كانوا يَنشُدون مواد أفضل أداءً، أن يُخلّقوا بروتينات أكبر للخيوط التي يصنعونها بها. حتى ذلك الوقت، لم يتمكن العلماء سوى أن يخلّقوا بروتينات بنصف حجم ذلك. لكن هذا البحث أثبت أن بإمكانهم أن يضاعفوا حجم بروتين الخيوط، بإضافة طفرة جينيّة قصيرة، إلى حمض الخيوط النووي. فتعمل هذه الطفرة على توحيد بروتينتين صغيرتين معاً لتكوين بروتينة خيوط أكبر.
https://i.servimg.com/u/f34/19/88/75/19/938.jpg
ويعمل الباحثون لجعل عمليتهم هذه أدق قياساً وأكثر جدوى. وبفضل العلاقة الطردية بين حجم البروتين والأداء الفيزيائي لخيوط العنكبوت الاصطناعيّة، ربما قد تؤدي المراحل اللاحقة من هذه التقنية حتى إلى نتائج أفضل. وقد تصبح خيوط العنكبوت الاصطناعية في المستقبل أقوى وأمتن من خيوط العنكبوت الطبيعية، وأن يضاف إلى هذا أنها قابلة للاستثمار التجاري والإنتاج على نطاق واسع. علاوة على هذا، ثَمّة في الأصل أبواب عديدة لاستخدام خيوط العنكبوت، وكثير منها قيد البحث الآن. فحين تُحَلّ مسألة الإنتاج الواسع النطاق، تدخل خيوط العنكبوت الاصطناعية في عديد من الميادين الصناعية.
عدسات خيط العنكبوت
مثلما تلتقط خيوط العنكبوت الفرائس الصغيرة تماماً، تستطيع العدسات الصغيرة المصنوعة من خيوط العنكبوت أن تلتقط الصور العالية الدقّة (HD)، في داخل الأنسجة البيولوجية. ففي مقالة نشرتها مجلة "نيو ساينتست" (New Scientist)، في يونيو 2020م، صنع الباحثون التايوانيون عدسة تستخدم خيوط العنكبوت. ومن أجل تحقيق مشروعهم هذا، استخدم باحثو جامعة يانغ-مينغ نوعاً معيَّناً من خيوط العنكبوت يُدعَى حرير خيط السَّحب (dragline silk) استزرعوه من عنكبوت خاص يدعى Pholcus phalangioides، ويُعرَف في اللغة العامية بعبارة: الوالد الطويل الساقين (daddy long legs). ومعروف عن هذا الخيط أنه الأشد متانة، بين جميع خيوط العناكب، ولذا فهي تستعمله في حياكة إطار شبكة العنكبوت، وتتدلّى به العناكب، للهبوط من شبكتها مسافة طويلة نحو الأسفل. واستخدم العلماء الخيط هذا مَحَالةً (scaffold) لبناء عدسة بصرية. فقد غلّفوا خيط عنكبوت بالشمع، ثم نقّطوا عليه نقطاً من راتنج (resin) شفاف. فتَشكَّل الراتنج المدلَّى من الألياف في شكل قبّة. ثم وُضع كل ذلك في فرن أشعة فوق بنفسجيّة ليُخبَز ويتّخذ شكلاً نهائياً. ونتج من هذه العملية عدسات قطرها جزءان من ألف من الملليمتر فقط - أي بحجم لا يزيد على حجم إحدى كريات الدم الحمراء.
حين يَشِعُّ ضوء من خلال عدسة بهذا الحجم، تصدر عنه حزمة ضوء تسمّى دفقاً ضوئياً نانوياً (photonic nanojet)، وهي حزمة ضوئية رقيقة للغاية، يمكن تركيزها على مسافات مختلفة من العدسة. إن مقدار الراتنج الذي يُنَقَّط على الخيط وطول الوقت الذي يُترَك فيه قبل خبزه في فرن الأشعة فوق البنفسجية، يحدِّدان حجم العدسة وشكلها، وكذلك طريقة تركيزها للضوء. وقد تصرَّف الباحثون في تغيير هذه الحيثيات، من أجل إنتاج عدسات منوَّعة لأغراض مختلفة. فمثل هذه العدسات يمكن استخدامها لالتقاط صور لأشياء في منتهى الصغر، على نحو لا يُصَدَّق، مثل الفيروسات. والطبيعة غير السامة التي تتميز بها المواد المصنوعة منها العدسات، تتيح حقنها في داخل الأجسام الحيّة بأمان، لالتقاط صور مفصَّلة للنسيج البيولوجي.
https://i.servimg.com/u/f34/19/88/75/19/1015.jpg
https://i.servimg.com/u/f34/19/88/75/19/1113.jpg
https://i.servimg.com/u/f34/19/88/75/19/1223.jpg
ابتكر الباحثون بلاستيكياً نباتياً وأضافوا جزيئات نانوية - وهي جسيمات أصغر من جزء من المليون من المتر. هذا يعني أنه يمكنهم التحكم في بنية المادة لإنشاء أغشية مرنة، باستخدام مادة تشبه حرير العنكبوت على المستوى الجزيئي. لقد أطلقوا عليه اسم "حرير العنكبوت النباتي".
خيوط العنكبوت هي من أكثر المواد الطبيعيّة إثارة للدهشة. ويمكن تسميتها بالمواد الفريدة، نظراً لخصائصها المتميِّزة. فقد جاء في مقالة نُشرت في مجلة (e-Polymers)، في شهر أغسطس 2020م، أن متانة خيوط العنكبوت الميكانيكيّة، وطواعيتها مع الحرارة، وتركيبتها، لا تقارَن بما لدى المواد البيولوجيّة الأخرى. وهي تمتلك أيضاً تمغّطاً (elasticity) ومتانة لا مثيل لهما. إن نسبة هذه المتانة إلى الوزن، تفوق خمسة أضعاف نسبة متانة الصلب إلى وزنه. ومع هذا فإن مرونة خيوط العنكبوت تفوق مرونة النايلون مرتين، وتفوق مرونة ألياف كفلار (علامة تجارية لألياف اصطناعية)، ولذا يمكن استخدامها للدروع الواقية للجسم. كذلك هي قابلة للتحلّل البيولوجي، وليست سامة للبشر، وهكذا يمكن أن تُستخدم لأغراضٍ طبيةٍ وجراحيةٍ أيضاً. لقد تبيّن أن لخيوط العنكبوت أوجه استخدام وتطبيقات في ما لا يُحصَى من الحقول العلميّة. لكن مع الأسف، العناكب مخلوقات أرضيّة مفترسة آكلة للحوم، وهي لا تتورّع عن أكل لحم جنسها، ولذا فإنتاجها على نطاق واسع هو تحدٍّ قائم.
بديل اصطناعي
على ضوء هذا الواقع، يبدو أن مستقبل التوسّع في إنتاج خيوط العنكبوت يكمن في بديلها الاصطناعي. لقد حاول العلماء أن ينتجوا خيوط عنكبوت بيو-اصطناعيّة بالاستعانة بفصائل عديدة أخرى مختلفة، تراوح بين دود الحرير والماعز. وثَمَّة أصناف مختلفة من البكتيريا أيضاً مرشّحة لأن تشكِّل مصدراً لهذا البديل المنشود. ففي مقالة في نشرة "ساينس ديلي" (Science Daily)، في أغسطس 2018م، تمكَّن باحثون في جامعة واشنطن في سانت لويس (ولاية ميزوري الأمريكية)، من أن يحققوا خطوةً حاسمة على هذا الصعيد. إذ يقولون إنهم طوّروا بكتيريا يمكنها أن تنتج خيوط عنكبوت بيو-اصطناعيّة، تمتاز بجميع الخصائص المهمّة في خيوط العنكبوت الطبيعية. وفي هذا الإطار اهتدوا، خلال بحثهم، إلى اكتشافٍ مهمٍ جداً: فـ"مقاومة الشدّ والمتانة في خيوط العنكبوت تبقى متناسبة إيجاباً مع وزن الجزيئات التي تكوّنها - فكلما كبر الجزيء، تعاظمت متانة الخيوط - حتى في الخيوط الاصطناعيّة". وهذا يعني أن على العلماء، إذا كانوا يَنشُدون مواد أفضل أداءً، أن يُخلّقوا بروتينات أكبر للخيوط التي يصنعونها بها. حتى ذلك الوقت، لم يتمكن العلماء سوى أن يخلّقوا بروتينات بنصف حجم ذلك. لكن هذا البحث أثبت أن بإمكانهم أن يضاعفوا حجم بروتين الخيوط، بإضافة طفرة جينيّة قصيرة، إلى حمض الخيوط النووي. فتعمل هذه الطفرة على توحيد بروتينتين صغيرتين معاً لتكوين بروتينة خيوط أكبر.
https://i.servimg.com/u/f34/19/88/75/19/938.jpg
ويعمل الباحثون لجعل عمليتهم هذه أدق قياساً وأكثر جدوى. وبفضل العلاقة الطردية بين حجم البروتين والأداء الفيزيائي لخيوط العنكبوت الاصطناعيّة، ربما قد تؤدي المراحل اللاحقة من هذه التقنية حتى إلى نتائج أفضل. وقد تصبح خيوط العنكبوت الاصطناعية في المستقبل أقوى وأمتن من خيوط العنكبوت الطبيعية، وأن يضاف إلى هذا أنها قابلة للاستثمار التجاري والإنتاج على نطاق واسع. علاوة على هذا، ثَمّة في الأصل أبواب عديدة لاستخدام خيوط العنكبوت، وكثير منها قيد البحث الآن. فحين تُحَلّ مسألة الإنتاج الواسع النطاق، تدخل خيوط العنكبوت الاصطناعية في عديد من الميادين الصناعية.
عدسات خيط العنكبوت
مثلما تلتقط خيوط العنكبوت الفرائس الصغيرة تماماً، تستطيع العدسات الصغيرة المصنوعة من خيوط العنكبوت أن تلتقط الصور العالية الدقّة (HD)، في داخل الأنسجة البيولوجية. ففي مقالة نشرتها مجلة "نيو ساينتست" (New Scientist)، في يونيو 2020م، صنع الباحثون التايوانيون عدسة تستخدم خيوط العنكبوت. ومن أجل تحقيق مشروعهم هذا، استخدم باحثو جامعة يانغ-مينغ نوعاً معيَّناً من خيوط العنكبوت يُدعَى حرير خيط السَّحب (dragline silk) استزرعوه من عنكبوت خاص يدعى Pholcus phalangioides، ويُعرَف في اللغة العامية بعبارة: الوالد الطويل الساقين (daddy long legs). ومعروف عن هذا الخيط أنه الأشد متانة، بين جميع خيوط العناكب، ولذا فهي تستعمله في حياكة إطار شبكة العنكبوت، وتتدلّى به العناكب، للهبوط من شبكتها مسافة طويلة نحو الأسفل. واستخدم العلماء الخيط هذا مَحَالةً (scaffold) لبناء عدسة بصرية. فقد غلّفوا خيط عنكبوت بالشمع، ثم نقّطوا عليه نقطاً من راتنج (resin) شفاف. فتَشكَّل الراتنج المدلَّى من الألياف في شكل قبّة. ثم وُضع كل ذلك في فرن أشعة فوق بنفسجيّة ليُخبَز ويتّخذ شكلاً نهائياً. ونتج من هذه العملية عدسات قطرها جزءان من ألف من الملليمتر فقط - أي بحجم لا يزيد على حجم إحدى كريات الدم الحمراء.
حين يَشِعُّ ضوء من خلال عدسة بهذا الحجم، تصدر عنه حزمة ضوء تسمّى دفقاً ضوئياً نانوياً (photonic nanojet)، وهي حزمة ضوئية رقيقة للغاية، يمكن تركيزها على مسافات مختلفة من العدسة. إن مقدار الراتنج الذي يُنَقَّط على الخيط وطول الوقت الذي يُترَك فيه قبل خبزه في فرن الأشعة فوق البنفسجية، يحدِّدان حجم العدسة وشكلها، وكذلك طريقة تركيزها للضوء. وقد تصرَّف الباحثون في تغيير هذه الحيثيات، من أجل إنتاج عدسات منوَّعة لأغراض مختلفة. فمثل هذه العدسات يمكن استخدامها لالتقاط صور لأشياء في منتهى الصغر، على نحو لا يُصَدَّق، مثل الفيروسات. والطبيعة غير السامة التي تتميز بها المواد المصنوعة منها العدسات، تتيح حقنها في داخل الأجسام الحيّة بأمان، لالتقاط صور مفصَّلة للنسيج البيولوجي.
https://i.servimg.com/u/f34/19/88/75/19/1015.jpg
https://i.servimg.com/u/f34/19/88/75/19/1113.jpg
https://i.servimg.com/u/f34/19/88/75/19/1223.jpg