Οι αράχνες είναι μοναδικά πλάσματα. Μπορεί να προκαλούν τρόμο σε πολλούς, αλλά η φύση της έχει δώσει μία μαγική ιδιότητα.
Φανταστείτε να μπορούσατε να φτιάξετε μεταξένιο ιστό όπως εκείνες να το πετάτε για να πηγαίνετε από μέρος σε μέρος, να έχετε πάντα ένα ισχυρό σαν ατσάλινο σκοινί ασφαλείας ή να αράζετε σε μια άνετη αιώρα όποτε χρειάζεστε ξεκούραση.
Δεν είναι τυχαίο που ο Spiderman είναι εδώ και χρόνια ένας από τους αγαπημένος σούπερ ήρωες μικρών και μεγάλων
Οι συναρπαστικές ιδιότητες του μεταξιού της αράχνης είναι τέτοιες που εδώ και δεκαετίες οι επιστήμονες προσπαθούν να αποκαλύψουν τα μυστικά του.
Εάν μπορούσαμε να κατανοήσουμε και να αναδημιουργήσουμε τη διαδικασία ύφανσης αυτής της κλωστής, θα μπορούσαμε να παράγουμε τεχνητό μετάξι αράχνης για μια σειρά από ιατρικές εφαρμογές.
Για παράδειγμα, το τεχνητό μετάξι μπορεί να βοηθήσει στην αναγέννηση των νεύρων που συνδέουν τον εγκέφαλο και τα άκρα μας και μπορεί να μεταφέρει τα μόρια του φαρμάκου απευθείας στα κύτταρα όπου χρειάζονται.
Το μετάξι της αράχνης αποτελείται από πρωτεΐνες που ονομάζονται spidroins, τις οποίες η αράχνη αποθηκεύει σε έναν αδένα μεταξιού στην κοιλιά της. Υπάρχουν διάφοροι τύποι spidroin για την ύφανση διαφορετικών ειδών μεταξιού. Οι αράχνες τις αποθηκεύουν ως υγρό που μοιάζει με σταγονίδια λαδιού.
Αλλά ένα από τα ερωτήματα που αναζητούν απαντήσεις μέχρι στιγμής από τους επιστήμονες είναι πώς οι αράχνες μετατρέπουν αυτές τις υγρές σταγόνες σε μετάξι.
Ύφανση ιστού
Το κόλπο που χρησιμοποιούν οι αράχνες για να επιταχύνουν τη διαδικασία κλώσεώς τους μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να δημιουργήσουν καλύτερο τεχνητό μετάξι ή ακόμα και να αναπτύξουν νέες διαδικασίες ύφανσης
Το 2017, μάθαμε να φτιάχνουμε συνθετικές ίνες μεταξιού μιμούμενοι τον αδένα του μεταξιού, αλλά δεν ξέραμε πώς λειτουργούν τα πράγματα μέσα στην αράχνη. Τώρα γνωρίζουμε ότι ο σχηματισμός σταγονιδίων επιταχύνει τη μετατροπή σε αυτές τις ίνες.
Μια σημαντική ένδειξη για το πώς σχετίζονται τα σταγονίδια και οι ίνες προέκυψε από μια απροσδόκητη περιοχή της έρευνας για τις ασθένειες του Αλτσχάιμερ και του Πάρκινσον. Οι πρωτεΐνες που εμπλέκονται σε αυτές τις ασθένειες, (αλφα-συνουκλεΐνη και tau), μπορούν να συγκεντρωθούν σε μικροσκοπικά σταγονίδια που μοιάζουν με λάδι στα ανθρώπινα κύτταρα.
Το Tau είναι μια πρωτεΐνη που βοηθά στη σταθεροποίηση του εσωτερικού σκελετού των νευρικών κυττάρων (νευρώνων) στον εγκέφαλο. Στη νόσο του Αλτσχάιμερ, μια ανώμαλη μορφή tau συσσωρεύεται και προσκολλάται στις κανονικές πρωτεΐνες tau, δημιουργώντας αυτό που οι επιστήμονες ονομάζουν «μπέρδεμα/κουβάρι tau».
Η άλφα-συνουκλεΐνη βρίσκεται σε μεγάλες ποσότητες στα νευρικά κύτταρα που παράγουν ντοπαμίνη. Οι μη φυσιολογικές μορφές αυτής της πρωτεΐνης συνδέονται με τη νόσο του Πάρκινσον.
Σταγονίδια λαδιού μιας από αυτές τις πρωτεΐνες σχηματίζονται στον άνθρωπο όταν μπλέκονται και κολλάμε όπως τα βρασμένα μακαρόνια σε ένα πιάτο. Στην αρχή, οι πρωτεΐνες είναι εύκαμπτες και ελαστικές, όπως τα σταγονίδια ελαίου spidroin.
Αλλά αν οι πρωτεΐνες παραμείνουν μπερδεμένες, κολλάνε μεταξύ τους, κάτι που αλλάζει το σχήμα τους, μετατρέποντάς τις σε άκαμπτες ίνες. Αυτά μπορεί να είναι τοξικά για τα ανθρώπινα κύτταρα – όπως για παράδειγμα, σε νευροεκφυλιστικές καταστάσεις όπως το Αλτσχάιμερ.
Ωστόσο, τα spidroins μπορούν επίσης να σχηματίσουν σταγονίδια. Αυτό μας άφησε να αναρωτιόμαστε αν ο μηχανισμός που προκαλεί νευροεκφυλισμό στους ανθρώπους θα μπορούσε να να είναι ο ίδιος στην αράχνη που μετατρέπει τις υγρές σπινδροΐνες σε άκαμπτες ίνες μεταξιού.
Η επιστήμη του μεταξιού
Δημιουργώντας συνθήκες ύφανσης μεταξιού σε εργαστήριο, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι η αράχνη μπορεί να μετατρέψει αμέσως τα υγρά σταγονίδια spidroins της σε ένα συμπαγές νήμα. Και κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η φύση χρησιμοποιεί τον ίδιο μηχανισμό που μπορεί να κάνει τις πρωτεΐνες του εγκεφάλου τοξικές για να δημιουργήσει μερικές από τις πιο εκπληκτικές δομές του.
Ο εκπληκτικός παραλληλισμός μεταξύ της περιστροφής του μεταξιού αράχνης και των τοξικών για τον άνθρωπο ινών θα μπορούσε κάποια μέρα να οδηγήσει σε νέες ενδείξεις για το πώς να καταπολεμηθούν οι νευροεκφυλιστικές διαταραχές όπως το Πάρκινσον και το Ατλσχάιμερ
Οι επιστήμονες μπορούν να χρησιμοποιήσουν την έρευνα για το μετάξι της αράχνης, για να εμποδίσουν τις ανθρώπινες πρωτεΐνες να κολλήσουν μεταξύ τους – για να τις εμποδίσουν να γίνουν τοξικές. Εάν οι αράχνες μπορούν να μάθουν πώς να κρατούν υπό έλεγχο τις κολλώδεις πρωτεΐνες τους, ίσως και εμείς.
Οι αράχνες είναι μοναδικά πλάσματα. Μπορεί να προκαλούν τρόμο σε πολλούς, αλλά η φύση της έχει δώσει μία μαγική ιδιότητα.
Φανταστείτε να μπορούσατε να φτιάξετε μεταξένιο ιστό όπως εκείνες να το πετάτε για να πηγαίνετε από μέρος σε μέρος, να έχετε πάντα ένα ισχυρό σαν ατσάλινο σκοινί ασφαλείας ή να αράζετε σε μια άνετη αιώρα όποτε χρειάζεστε ξεκούραση.
Δεν είναι τυχαίο που ο Spiderman είναι εδώ και χρόνια ένας από τους αγαπημένος σούπερ ήρωες μικρών και μεγάλων
Οι συναρπαστικές ιδιότητες του μεταξιού της αράχνης είναι τέτοιες που εδώ και δεκαετίες οι επιστήμονες προσπαθούν να αποκαλύψουν τα μυστικά του.
Εάν μπορούσαμε να κατανοήσουμε και να αναδημιουργήσουμε τη διαδικασία ύφανσης αυτής της κλωστής, θα μπορούσαμε να παράγουμε τεχνητό μετάξι αράχνης για μια σειρά από ιατρικές εφαρμογές.
Για παράδειγμα, το τεχνητό μετάξι μπορεί να βοηθήσει στην αναγέννηση των νεύρων που συνδέουν τον εγκέφαλο και τα άκρα μας και μπορεί να μεταφέρει τα μόρια του φαρμάκου απευθείας στα κύτταρα όπου χρειάζονται.
Το μετάξι της αράχνης αποτελείται από πρωτεΐνες που ονομάζονται spidroins, τις οποίες η αράχνη αποθηκεύει σε έναν αδένα μεταξιού στην κοιλιά της. Υπάρχουν διάφοροι τύποι spidroin για την ύφανση διαφορετικών ειδών μεταξιού. Οι αράχνες τις αποθηκεύουν ως υγρό που μοιάζει με σταγονίδια λαδιού.
Αλλά ένα από τα ερωτήματα που αναζητούν απαντήσεις μέχρι στιγμής από τους επιστήμονες είναι πώς οι αράχνες μετατρέπουν αυτές τις υγρές σταγόνες σε μετάξι.
Ύφανση ιστού
Το κόλπο που χρησιμοποιούν οι αράχνες για να επιταχύνουν τη διαδικασία κλώσεώς τους μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να δημιουργήσουν καλύτερο τεχνητό μετάξι ή ακόμα και να αναπτύξουν νέες διαδικασίες ύφανσης
Το 2017, μάθαμε να φτιάχνουμε συνθετικές ίνες μεταξιού μιμούμενοι τον αδένα του μεταξιού, αλλά δεν ξέραμε πώς λειτουργούν τα πράγματα μέσα στην αράχνη. Τώρα γνωρίζουμε ότι ο σχηματισμός σταγονιδίων επιταχύνει τη μετατροπή σε αυτές τις ίνες.
Μια σημαντική ένδειξη για το πώς σχετίζονται τα σταγονίδια και οι ίνες προέκυψε από μια απροσδόκητη περιοχή της έρευνας για τις ασθένειες του Αλτσχάιμερ και του Πάρκινσον. Οι πρωτεΐνες που εμπλέκονται σε αυτές τις ασθένειες, (αλφα-συνουκλεΐνη και tau), μπορούν να συγκεντρωθούν σε μικροσκοπικά σταγονίδια που μοιάζουν με λάδι στα ανθρώπινα κύτταρα.
Το Tau είναι μια πρωτεΐνη που βοηθά στη σταθεροποίηση του εσωτερικού σκελετού των νευρικών κυττάρων (νευρώνων) στον εγκέφαλο. Στη νόσο του Αλτσχάιμερ, μια ανώμαλη μορφή tau συσσωρεύεται και προσκολλάται στις κανονικές πρωτεΐνες tau, δημιουργώντας αυτό που οι επιστήμονες ονομάζουν «μπέρδεμα/κουβάρι tau».
Η άλφα-συνουκλεΐνη βρίσκεται σε μεγάλες ποσότητες στα νευρικά κύτταρα που παράγουν ντοπαμίνη. Οι μη φυσιολογικές μορφές αυτής της πρωτεΐνης συνδέονται με τη νόσο του Πάρκινσον.
Σταγονίδια λαδιού μιας από αυτές τις πρωτεΐνες σχηματίζονται στον άνθρωπο όταν μπλέκονται και κολλάμε όπως τα βρασμένα μακαρόνια σε ένα πιάτο. Στην αρχή, οι πρωτεΐνες είναι εύκαμπτες και ελαστικές, όπως τα σταγονίδια ελαίου spidroin.
Αλλά αν οι πρωτεΐνες παραμείνουν μπερδεμένες, κολλάνε μεταξύ τους, κάτι που αλλάζει το σχήμα τους, μετατρέποντάς τις σε άκαμπτες ίνες. Αυτά μπορεί να είναι τοξικά για τα ανθρώπινα κύτταρα – όπως για παράδειγμα, σε νευροεκφυλιστικές καταστάσεις όπως το Αλτσχάιμερ.
Ωστόσο, τα spidroins μπορούν επίσης να σχηματίσουν σταγονίδια. Αυτό μας άφησε να αναρωτιόμαστε αν ο μηχανισμός που προκαλεί νευροεκφυλισμό στους ανθρώπους θα μπορούσε να να είναι ο ίδιος στην αράχνη που μετατρέπει τις υγρές σπινδροΐνες σε άκαμπτες ίνες μεταξιού.
Η επιστήμη του μεταξιού
Δημιουργώντας συνθήκες ύφανσης μεταξιού σε εργαστήριο, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι η αράχνη μπορεί να μετατρέψει αμέσως τα υγρά σταγονίδια spidroins της σε ένα συμπαγές νήμα. Και κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η φύση χρησιμοποιεί τον ίδιο μηχανισμό που μπορεί να κάνει τις πρωτεΐνες του εγκεφάλου τοξικές για να δημιουργήσει μερικές από τις πιο εκπληκτικές δομές του.
Ο εκπληκτικός παραλληλισμός μεταξύ της περιστροφής του μεταξιού αράχνης και των τοξικών για τον άνθρωπο ινών θα μπορούσε κάποια μέρα να οδηγήσει σε νέες ενδείξεις για το πώς να καταπολεμηθούν οι νευροεκφυλιστικές διαταραχές όπως το Πάρκινσον και το Ατλσχάιμερ
Οι επιστήμονες μπορούν να χρησιμοποιήσουν την έρευνα για το μετάξι της αράχνης, για να εμποδίσουν τις ανθρώπινες πρωτεΐνες να κολλήσουν μεταξύ τους – για να τις εμποδίσουν να γίνουν τοξικές. Εάν οι αράχνες μπορούν να μάθουν πώς να κρατούν υπό έλεγχο τις κολλώδεις πρωτεΐνες τους, ίσως και εμείς.
