Σε αυτό το βίντεο του Veritasium, ο Ντέρεκ Μάλερ (Derek Muller) επισκέπτεται το εργαστήριο Blackledge Spider Lab στο Πανεπιστήμιο του Άκρον, ένα από τα κορυφαία κέντρα μελέτης του μεταξιού της αράχνης, για να ελέγξει αν ο ισχυρισμός ότι ο ιστός είναι ισχυρότερος από το ατσάλι και έχει δεκαπλάσια δυσθραυστότητα από το Kevlar ανταποκρίνεται στην πραγματικότητα.
Οι αράχνες παράγουν επτά διαφορετικά είδη μεταξιού, αλλά το ισχυρότερο είναι το λεγόμενο «μετάξι έλξης» (dragline silk), που σχηματίζει τις ακτίνες και το εξωτερικό πλαίσιο του ιστού. Η λειτουργία του είναι να σταματά τα έντομα που πέφτουν στο δίχτυ, απορροφώντας την κινητική τους ενέργεια χωρίς να τα αφήνει να αναπηδήσουν.
Για να μετρήσουν την αντοχή, οι ερευνητές «αρμέγουν» αράχνες: τις αναισθητοποιούν με CO₂, τις στερεώνουν και τραβούν αργά το νήμα. Στη συνέχεια, μια μηχανή εφελκυσμού καταγράφει τη δύναμη ανά μονάδα επιφάνειας (τάση) και την επιμήκυνση (παραμόρφωση). Το δείγμα που δοκίμασαν έσπασε στα 600 megapascal, αλλά το μετάξι της αράχνης του φλοιού του Δαρβίνου από τη Μαδαγασκάρη φτάνει τα 1.600 MPa. Το πειραματικό ατσάλι υπερύψηλης αντοχής μπορεί να φτάσει τα 3.000 MPa, όμως το ατσάλι είναι έξι φορές πυκνότερο· αν συγκρίνουμε ίση μάζα και ίσο μήκος, ο ιστός έχει έξι φορές μεγαλύτερη διατομή και αντέχει περίπου διπλάσια δύναμη πριν σπάσει.
Η αντοχή όμως δεν είναι το μόνο κρίσιμο μέγεθος. Η δυσθραυστότητα (toughness), δηλαδή η ενέργεια που απορροφά ένα υλικό πριν σπάσει, είναι εξίσου σημαντική. Το Kevlar έχει δυσθραυστότητα έως 50 MJ/m³, το πειραματικό ατσάλι περίπου 170 MJ/m³, ενώ το δείγμα ιστού αράχνης έφτασε τα 205 MJ/m³. Το μετάξι της αράχνης του Δαρβίνου μπορεί να φτάσει τα 520 MJ/m³, δηλαδή περίπου τρεις φορές το ισχυρότερο ατσάλι και δέκα φορές το Kevlar. Ο λόγος είναι ότι το Kevlar είναι πολύ άκαμπτο και σπάει πριν προλάβει να τεντωθεί αρκετά, ενώ ο ιστός συνδυάζει αντοχή με μεγάλη επιμήκυνση (έως 70% πριν σπάσει).
Το μυστικό βρίσκεται στη νανοδομή του μεταξιού. Οι πρωτεΐνες του ιστού, οι σπιδροΐνες, σε κάποιες περιοχές σχηματίζουν ευθυγραμμισμένους νανοκρυστάλλους (σαν στοιβαγμένες αυγοθήκες) που δίνουν ακαμψία, ενώ σε άλλες περιοχές παραμένουν άμορφες και εύκαμπτες. Αυτό λειτουργεί σαν δίκτυο από άκαμπτα μπλοκ συνδεδεμένα με ελαστικά κορδόνια: τα κορδόνια τεντώνονται και απορροφούν ενέργεια, ενώ τα μπλοκ κατανέμουν την έλξη. Έτσι ο ιστός μπορεί να απορροφήσει τεράστια ενέργεια πριν σπάσει.
Γιατί όμως δεν χρησιμοποιούμε ήδη ιστό αράχνης σε σχοινιά, αλεξίσφαιρα γιλέκα ή αερόσακους; Επειδή οι αράχνες είναι κανίβαλοι και δεν μπορούν να εκτραφούν σε πυκνές φάρμες· χρειάζονται τεράστιο χώρο και η συλλογή μεταξιού είναι δύσκολη. Ιστορικά, το 1709 ο Φρανσουά Ξαβιέ Μπον (François Xavier Bon) έφτιαξε κάλτσες από μετάξι αράχνης, αλλά η ποσότητα ήταν απαγορευτική. Τρεις αιώνες αργότερα, οι Σάιμον Πιρς (Simon Peers) και Νίκολας Γκόντλεϊ (Nicholas Godley) χρειάστηκαν χρόνια και πάνω από ένα εκατομμύριο αράχνες χρυσής υφάντρας στη Μαδαγασκάρη για να υφάνουν ένα μόνο χρυσαφί κάπα. Σήμερα, ένας προμηθευτής χρεώνει 700 δολάρια για 100 χιλιοστόγραμμα, δηλαδή περίπου 7 εκατομμύρια δολάρια το κιλό — 50 φορές την τιμή του χρυσού.
Οι επιστήμονες προσπάθησαν να παρακάμψουν το πρόβλημα παράγοντας τις πρωτεΐνες του ιστού σε άλλους οργανισμούς. Στα τέλη της δεκαετίας του 1990, η DuPont εισήγαγε τα γονίδια σε βακτήρια E. coli και ζύμες. Το 2001, Γερμανοί ερευνητές τα έβαλαν σε φυτά όπως ο καπνός και η πατάτα. Η καναδική εταιρεία Nexia δημιούργησε γενετικά τροποποιημένες κατσίκες που παρήγαγαν τις πρωτεΐνες στο γάλα τους — τις αποκαλούσαν «αραχνοκάτσικες». Όλες αυτές οι προσπάθειες παρήγαγαν πρωτεΐνες, αλλά καμία δεν κατάφερε να φτιάξει ίνες με τις ιδιότητες του φυσικού μεταξιού, γιατί δεν μπορούσαν να αναπαράγουν τη διαδικασία κλώσης της αράχνης.
Μέσα στην αράχνη, η κλώση ξεκινά στον αδένα μεταξιού. Οι πρωτεΐνες εκκρίνονται σε υδατικό διάλυμα, όπου η ρύθμιση του pH τις κρατά χωριστά επειδή φέρουν ίδιο αρνητικό φορτίο και απωθούνται. Σχηματίζουν μικκύλια και μεγαλύτερα σφαιρίδια. Στη συνέχεια περνούν από έναν στενό, ελικοειδή αγωγό όπου δυνάμεις διάτμησης τις τεντώνουν και ευθυγραμμίζουν, ενώ η αφαίρεση νερού και η μείωση του pH εξουδετερώνουν τα φορτία και επιτρέπουν στις πρωτεΐνες να συνδεθούν σε αλυσίδες. Το τελικό τέντωμα μέσα από ένα μικρό στόμιο (spigot) τις ευθυγραμμίζει πλήρως, δημιουργώντας τις β-πτυχωτές επιφάνειες που σχηματίζουν τους νανοκρυστάλλους. Η ακριβής διαδικασία δεν είναι πλήρως κατανοητή, και αυτό δυσκολεύει την αναπαραγωγή της στο εργαστήριο.
Μια διαφορετική προσέγγιση είναι να χρησιμοποιηθεί ένας οργανισμός που ήδη διαθέτει κλώστη: ο μεταξοσκώληκας. Οι άνθρωποι εκτρέφουν μεταξοσκώληκες εδώ και σχεδόν 5.000 χρόνια. Σύμφωνα με τον θρύλο, μια Κινέζα αυτοκράτειρα ανακάλυψε το μετάξι όταν ένα κουκούλι έπεσε στο τσάι της. Η Κίνα κράτησε το μυστικό για 2.000 χρόνια, μέχρι που δύο μοναχοί το έκλεψαν για λογαριασμό του Βυζαντινού αυτοκράτορα Ιουστινιανού, κρύβοντας αυγά μεταξοσκώληκα σε κούφια μπαστούνια — ίσως η πρώτη καταγεγραμμένη βιομηχανική κατασκοπεία. Κάθε σκόρος γεννά 500 αυγά κάθε 30 ημέρες, γεγονός που καθιστά την εκτροφή τους εξαιρετικά αποδοτική.
Η εταιρεία Kraig BioCraft Laboratories στο Μίσιγκαν χρησιμοποιεί γενετικά τροποποιημένους μεταξοσκώληκες για να παράγουν μετάξι με γονίδια αράχνης. Η διαδικασία ξεκινά με μικροέγχυση DNA αράχνης σε αυγά μεταξοσκώληκα. Χρησιμοποιούν ένα φυσικό μεταθετό στοιχείο, το piggyBac, που λειτουργεί σαν σύστημα αποκοπής-επικόλλησης: κόβει και εισάγει το γονίδιο σε τυχαία θέση του γονιδιώματος. Ωστόσο, επειδή η θέση είναι τυχαία, το παραγόμενο μετάξι περιέχει μόνο 6-10% DNA αράχνης. Παρόλα αυτά, οι ίνες επιτυγχάνουν περίπου 60% της μηχανικής απόδοσης του φυσικού ιστού. Το επόμενο βήμα είναι η στοχευμένη αντικατάσταση του γονιδίου του μεταξιού με CRISPR-Cas9, ώστε να παραχθεί καθαρό μετάξι αράχνης.
Δεν είναι η μόνη εταιρεία στον τομέα. Η γερμανική AMSilk παράγει πρωτεΐνες για ίνες, επιστρώσεις και υδρογέλες, ενώ η ιαπωνική Spiber ζυμώνει πρωτεΐνες για υφάσματα που έχουν ήδη χρησιμοποιηθεί από μάρκες όπως η Goldwin και η The North Face. Ο αμερικανικός στρατός χρηματοδότησε την Kraig για πάνελ βαλλιστικής προστασίας, ενώ η Newrotex διερευνά τη χρήση ιστού αράχνης για επιδιόρθωση νεύρων. Πέρυσι, η Kraig παρήγαγε μισό τόνο κουκουλιών διαγονιδιακού μεταξιού.
Το βίντεο κλείνει με μια θεαματική δοκιμή: ο Ντέρεκ, σε γυμναστήριο αναρρίχησης, κρεμιέται από ένα συνεχές νήμα που αποτελείται από δέκα ίνες διαγονιδιακού μεταξιού. Είναι ο πρώτος άνθρωπος που αιωρήθηκε ποτέ από πραγματικό μετάξι αράχνης. Το νήμα άντεξε το βάρος του, αλλά επειδή ήταν εξαιρετικά λεπτό και ισχυρό, του έκοψε τα δάχτυλα. Ο Ντέρεκ προκαλεί τον Τομ Χόλαντ (Tom Holland) και τους άλλους ηθοποιούς που έχουν υποδυθεί τον Spider-Man να δοκιμάσουν κι εκείνοι.
Σχόλια