Τα τελευταία χρόνια, οι επιστήμονες στρέφονται όλο και περισσότερο στον φυσικό κόσμο για έμπνευση – με πολλές έρευνες να επικεντρώνονται στα εντυπωσιακά χαρακτηριστικά του μεταξιού της αράχνης .

Υπάρχει όμως μια άλλη πολλά υποσχόμενη εναλλακτική λύση που κρύβεται σε κοινή θέα: το μετάξι της μέλισσας.

Αν ξύνετε το κεφάλι σας αυτή τη στιγμή, δεν είστε οι μόνοι. Οι περισσότεροι άνθρωποι δεν έχουν ακούσει ποτέ για το μετάξι της μέλισσας.

«Η παραγωγή μεταξιού είναι πολύ πιο διαδεδομένη στη φύση από ό,τι αντιλαμβάνονται οι περισσότεροι άνθρωποι», δήλωσε στο ScienceAlert ο Όραν Βάσερμαν, μοριακός βιολόγος που ολοκλήρωσε το διδακτορικό του στο Πανεπιστήμιο της Γιούτα στο Εργαστήριο Μεταξιού Αράχνης του Δρ. Τζάστιν Α. Τζόουνς.

«Το μετάξι έχει εξελιχθεί ανεξάρτητα πολλές φορές, με τουλάχιστον 23 ξεχωριστές προελεύσεις μόνο από έντομα», εξήγησε ο Wasserman, συμπεριλαμβανομένων των μυρμηγκιών, των μελισσών και των σφηκών.

Νωρίτερα φέτος, ο Wasserman και οι συνάδελφοί του έγιναν οι πρώτοι που δημιούργησαν μια μεμβράνη από ένα συγκεκριμένο είδος μεταξιού μέλισσας – ένα σημαντικό πρώτο βήμα στην αξιοποίηση της δύναμης αυτού του απίστευτου υλικού.

Στον κόσμο των εντόμων, το μετάξι μπορεί να χρησιμοποιηθεί για οτιδήποτε, από την κατασκευή ιστών μέχρι την κατασκευή φωλιών και την κατασκευή κουκουλιών.

Για τις μέλισσες συγκεκριμένα, ο σκοπός είναι η προστασία.

«Δεν φτιάχνει κάθε μέλισσα μετάξι, αλλά μεταξύ εκείνων που το κάνουν, εμφανίζεται τόσο σε κοινωνικά όσο και σε μοναχικά είδη», δήλωσε ο Wasserman.

«Οι κοινωνικές μέλισσες, όπως οι μέλισσες και οι αγριομέλισσες, παράγουν μετάξι για να επενδύσουν τα κύτταρα γόνου των αποικιών τους. Οι μοναχικές μέλισσες, οι οποίες αποτελούν περίπου το 75% όλων των ειδών μελισσών, υφαίνουν μετάξι για να κατασκευάσουν κουκούλια που παρέχουν προστασία από περιβαλλοντικούς στρεσογόνους παράγοντες.»

«Η παραγωγή μεταξιού είναι πολύ πιο διαδεδομένη στη φύση από ό,τι αντιλαμβάνονται οι περισσότεροι άνθρωποι», – μοριακός βιολόγος Όραν Βάσερμαν

Οι ερευνητές ερευνούν τις ιδιότητες διαφορετικών μεταξωτών υλικών εδώ και πολλά χρόνια και το μετάξι των μελισσών έχει ήδη παραχθεί συνθετικά. Το εργαστήριο Jones προχώρησε ένα βήμα παραπέρα για τις μοναχικές μέλισσες, επιτρέποντας την παραγωγή πρωτεϊνών μεταξιού σε εργαστηριακό περιβάλλον.

Αυτό είναι σημαντικό, επειδή παρόλο που όλοι γνωρίζουν πόσο εντυπωσιακό είναι το μετάξι της αράχνης – πέντε φορές ισχυρότερο από το ατσάλι κατά βάρος ! – έχει αποδειχθεί εξαιρετικά δύσκολο να αναπαραχθεί στο εργαστήριο.

Η έρευνα του Wasserman επικεντρώθηκε στη μπλε μέλισσα του οπωρώνα ( Osmia lignaria ), μια μοναχική μέλισσα και σημαντικός επικονιαστής των οπωρώνων με μικρά, καφέ, επιμήκη κουκούλια που έχουν ένα χαρακτηριστικό καπάκι σε σχήμα θηλής στο ένα άκρο.
Αυτά τα κουκούλια είναι πιο σκληρά από ό,τι φαίνονται.

Παρά το γεγονός ότι και οι δύο χρησιμοποιούν μετάξι για την κατασκευή κουκουλιών, οι μεταξοσκώληκες και οι μπλε μέλισσες οπωρώνων παράγουν το μετάξι τους με πολύ διαφορετικό τρόπο. Ένας μεταξοσκώληκας υφαίνει το κουκούλι του από ένα μόνο συνεχές νήμα.

Μια προνύμφη μέλισσας υιοθετεί μια πιο αρχιτεκτονική προσέγγιση, εξήγησε ο Wasserman. Αγκυρώνει το μετάξι στο κυτταρικό τοίχωμα της φωλιάς, τραβάει το κλωστή χρησιμοποιώντας τις κινήσεις του κεφαλιού της και το στερεώνει σε ένα νέο σημείο, επαναλαμβάνοντας τη διαδικασία μέχρι να εγκλωβιστεί πλήρως.

Το προκύπτον κουκούλι έχει μόνο λίγα δομικά στρώματα, αλλά συνεργάζονται για να εξισορροπήσουν την ανταλλαγή αερίων, τη μηχανική προστασία, τη συγκράτηση υγρασίας και την αντοχή στα παράσιτα.

Αυτό το τελευταίο σημείο έχει μεγαλύτερη σημασία από όσο ακούγεται.

Τα μοναχικά κουκούλια μελισσών αντιμετωπίζουν μια πολύ πραγματική απειλή: τις παρασιτοειδείς σφήκες . Αυτές είναι σφήκες που εντοπίζουν τα κουκούλια των μελισσών χρησιμοποιώντας χημικά σήματα και στη συνέχεια προσπαθούν να τα διαπεράσουν με ένα εξάρτημα που μοιάζει με βελόνα για να γεννήσουν αυγά μέσα στην αναπτυσσόμενη μέλισσα (ναι, το ξέρουμε).

Το μεταξωτό κουκούλι της μέλισσας είναι ουσιαστικά η μόνη γραμμή άμυνας της προνύμφης.

Η αντίσταση του κουκουλιού στη διάτρηση είναι μια ιδιότητα που το Jones Lab μελετά τώρα περαιτέρω με ένα νέο πρωτόκολλο.

Ακριβώς ο συνδυασμός που θα θέλατε σε βιοϊατρικά υλικά επόμενης γενιάς, όπως χειρουργικά ράμματα, σκαλωσιές ιστών και τεχνικά υφάσματα.

Η πρόκληση, ωστόσο, με την αξιοποίηση αυτών των ιδιοτήτων ήταν η αναδημιουργία του μεταξιού έξω από την προνύμφη της μέλισσας.

Οι αρχικές προσπάθειες του Wasserman περιελάμβαναν την απομόνωση μεμονωμένων ινών μεταξιού από ολοκληρωμένα κουκούλια, αλλά η διαδικασία ήταν επίπονη και είχε ως αποτέλεσμα πολλά σπασμένα νήματα. Έτσι, η ομάδα επέστρεψε στην πηγή.

«Το πρωτόκολλο που αναπτύξαμε απομονώνει τις ίνες μεταξιού απευθείας από το στόμα της προνύμφης», εξηγεί ο Wasserman.

Για να το πετύχουν αυτό, χρησιμοποιούν ένα τρισδιάστατα εκτυπωμένο σύστημα εκτροφής που μιμείται τη φυσική κοιλότητα της φωλιάς των μελισσών και εκτρέφουν προνύμφες μελισσών μέσα σε αυτήν. Το σύστημα εκτροφής αναπτύχθηκε στη Μονάδα Έρευνας Εντόμων Επικονιαστών USDA-ARS .

Η ομάδα παρακολουθεί κάθε προνύμφη καθημερινά και επεμβαίνει ακριβώς τη στιγμή που αρχίζει να περιστρέφεται – όταν τα πρώτα νήματα είναι ακόμα χαλαρά και σε κοντινή απόσταση.

Στη συνέχεια, οι ίνες απομονώνονται και τοποθετούνται για μηχανικές δοκιμές.

«Μία από τις πιο ελπιδοφόρες πτυχές του πρωτοκόλλου είναι ότι οι προνύμφες συνεχίζουν να σχηματίζουν τα κουκούλια τους, γεγονός που υποδηλώνει ότι η μέθοδος είναι ελάχιστα επεμβατική», εξήγησε ο Wasserman.

Με αυτές τις κλωστές απομονωμένες, η ομάδα μπόρεσε πλέον να παράγει το μετάξι από την αρχή, χρησιμοποιώντας τεχνικές μοριακής βιολογίας για να εισάγει τα γονίδια-στόχους σε έναν τροποποιημένο μικροοργανισμό που τα άντλησε στο εργαστήριο.

Στη συνέχεια καθάρισαν τις προκύπτουσες πρωτεΐνες (που ονομάζονται ινωδίνες) και τις χύτευσαν σε διαφανείς, ανεξάρτητες μεμβράνες.

Αυτή είναι η πρώτη φορά που μια πρωτεΐνη μεταξιού από μελαχρινή μέλισσα έχει παραχθεί με αυτόν τον τρόπο και έχει μετατραπεί σε υλικό.

Ενώ δεν είναι άμεσα χρησιμοποιήσιμη για καμία εφαρμογή προς το παρόν, η τεχνική ανοίγει την πόρτα για περισσότερη μελέτη του μεταξιού της μέλισσας σε διαφορετικά είδη.

Για παράδειγμα, είναι γνωστό ότι το μετάξι των μελισσών είναι πιο ελαστικό από το μετάξι των οπωρώνων και η ίδια τεχνική θα μπορούσε ενδεχομένως να χρησιμοποιηθεί για την αναδημιουργία αυτού του μεταξιού ή ακόμα και για την ανάμειξή του με άλλα υλικά.

Αυτό ακριβώς κάνουν τώρα ο Wasserman και οι συνάδελφοί του με το μετάξι μέλισσας – συνδυάζοντάς το με κάτι ακόμα πιο παράξενο: τη βλέννα από πετρόψαρο .

Τα πετρόψαρα είναι αρχαία, χωρίς σαγόνια ψάρια βαθέων υδάτων που απελευθερώνουν μια παχύρρευστη έκκριση όταν απειλούνται. Αυτή η έκκριση επεκτείνεται γρήγορα στο θαλασσινό νερό, φράσσοντας τα βράγχια οποιουδήποτε αντικειμένου τους επιτίθεται.

Αυτή η βλέννα είναι ένα μείγμα βλέννας και λεπτών πρωτεϊνικών νημάτων, και όταν αυτά τα νήματα τεντωθούν και στεγνώσουν, οι μηχανικές τους ιδιότητες πλησιάζουν εκείνες του μεταξιού της αράχνης .

Το εργαστήριο Jones χρησιμοποιεί την ίδια μοριακή ροή εργασίας τόσο για τις πρωτεΐνες του πετρόψαρου όσο και για το μετάξι της μέλισσας, και τα δύο υλικά μοιράζονται μια παρόμοια υποκείμενη πρωτεϊνική δομή. Αυτό σημαίνει ότι θα μπορούσαν ενδεχομένως να αναμειχθούν μεταξύ τους σε υλικά που συνδυάζουν τις καλύτερες ιδιότητες του καθενός.

«Το μετάξι έχει χρησιμοποιηθεί για διάφορους σκοπούς εδώ και χιλιετίες», δήλωσε ο Wasserman. «Παρόλα αυτά, το μεγαλύτερο μέρος αυτής της προσοχής έχει στραφεί σε μια χούφτα είδη, κυρίως στον μεταξοσκώληκα και στις αράχνες.

«Σε όλα τα έντομα γενικότερα, το μετάξι είναι εντυπωσιακά ποικιλόμορφο, καθώς υφαίνεται από πολλά είδη που ποικίλλουν ως προς τη σύνθεση και τις μηχανικές του ιδιότητες… Αλλά, παραδόξως, πολλές πτυχές, όπως το μετάξι και τα κουκούλια τους, παραμένουν ανεπαρκώς μελετημένες.»

«Καθώς ο τομέας συνεχίζει να προοδεύει, αναμένω ότι πολλά από αυτά τα ανοιχτά ερωτήματα θα αρχίσουν να απαντώνται.»

Η έρευνα έχει δημοσιευτεί στα PLOS One , STAR Protocols και SynBio .

(photo: pixabay)