Written by Joe Ballenger

Hei, olen kouluni Lego League -joukkueessa ja haluamme tietää lisää hämähäkeistä tutkimushankettamme varten. Muutamia kysymyksiä, joihin toivon teidän voivan auttaa meitä ovat: Mikä tekee hämähäkkien verkosta niin vahvan ja tahmean? Onko se vielä vahvempi, jos se olisi isompi pitämään ihmistä?

Kiitos koko joukkueeni puolesta!!!

Hämähäkin silkki on todella vahvaa tavaraa. Yksittäinen säie hämähäkkisilkkiä voi hetkessä ottaa kiinni ja pysäyttää lentävän hyönteisen kymmeniätuhansia kertoja painonsa verran rikkoutumatta. Tutkijat ovat kiinnostuneita valjastamaan tämän ominaisuuden arkivaatteisiin, luotiliiveihin ja muihin suojavaatteisiin. On paljon kiinnostusta siihen, miten tämä voidaan tehdä kemiallisesta näkökulmasta.

Se on siis todella hieno kysymys, ja Lego League on varmasti kiinnostunut tästä rakennekemian näkökulmasta. Tähän nimenomaiseen kysymykseen liittyy kuitenkin myös kulttuurinen komponentti, joka on mielestäni siisti.

Hengailen (sanaleikki oli tarkoitettu) köysissä aika paljon, ja liityin hiljattain kuntosalille, jossa opetetaan eräänlaista performanssitaidetta nimeltä ilmasilkki. Se on performanssitaiteen laji, jossa tanssija liikkuu ripustamalla itsensä riippumaan kietomalla itsensä vahvaan kankaaseen.

Aloittaessani tutkimuksen tekemisen tästä aiheesta kysyin, mitä kankaita tällaisessa performanssissa käytetään. Olin järkyttynyt huomatessani, että kangas, jota nämä ihmiset käyttävät, oli nailonia, eikä silkkiä.

Mitä siis on silkki, miksi se on supervahvaa ja miksi siitä ei tehdä kiipeilyvarusteita?

Aluksi on todettava, että hämähäkin silkki ei ole vahvin ihmisen tuntema materiaali. Hiilikuitu kestää neljä kertaa enemmän kuormitusta kuin hämähäkkisilkki, mutta se ei ole niin elastista. Heti kun hiilikuitu venyy, edes vähän, se katkeaa. Tästä syystä se on hyvä korvike asioille, jotka tavallisesti tehdään metallista… mutta se ei ole hyvä korvike vaatteissa käytettäville kuiduille. Teräksellä on sama juttu… sen vetolujuus on samaa luokkaa kuin hämähäkkisilkin, mutta se on paljon painavampaa eikä läheskään yhtä joustavaa.

Ominaisuudet, joista pidämme hämähäkin silkissä, eivät ole sen lujuus vaan sitkeys. Vaikka saatamme yhdistää lujuuden ja sitkeyden esimerkiksi luonteenpiirteisiin, materiaalitutkijoiden silmissä ne ovat hyvin erilaisia. Kun lujuus on sitä, kuinka paljon painoa voi roikkua vaijerissa, sitkeys on sitä, kuinka kovaa voi lyödä jotakin rikkomatta sitä.

Tästä pääsemmekin hämähäkkisilkkiin, joka taas on aika monimutkainen aihe, koska. Hämähäkit voivat kehrätä noin 7 erilaista silkkiä, vaikka monilla ei ole tätä arsenaalia käytössään. Näitä seitsemää tyyppiä käytetään moniin eri tarkoituksiin, niillä on täysin erilaiset ominaisuudet ja erilaiset kemialliset koostumukset.

Kiinnittyvä, venyvä ja vahva

Hämähäkinseitti koostuu pääosin kolmesta eri silkistä: Flagelliformista, aggregaattisilkistä ja vetosilkistä. Vetosilkki on sitkeintä silkkiä, ja sitä tutkijat pyrkivät jäljittelemään, kun he yrittävät valmistaa siitä vaatteita.

Mikä tekee hämähäkin silkistä niin tahmeaa?

Flagelliforminen silkki on se, joka vangitsee saaliin. Se pystyy venymään ja muokkautumaan, venymään lähes 30-kertaiseksi pituuteensa, rikkoutumatta. Sen tarkoitus on pysäyttää hyönteisen nopeus, ja varsinaisen pysäytysvoiman tarjoaa vetosilkki, johon se on liitetty. Flagelliforminen silkki ei kuitenkaan varsinaisesti tartu hyönteiseen. Sen tehtävän hoitaa aggregaattisilkki.

Aggregaattisilkki on koostumukseltaan samankaltainen kuin silkki, paitsi että sen pintaan on tarttunut sokereita. Näitä sokereita peittävät OH-ryhmät, jotka vetävät puoleensa atomiryhmiä, joissa on paljon elektroneja. Nämä yksittäiset vetovoimatekijät ovat heikkoja, mutta kun niitä on paljon, niistä tulee hyvin voimakkaita.

Tämä temppu toistuu kaikkialla eläinkunnassa. Esimerkiksi kalanmunat käyttävät glykoproteiineja tarttuakseen tavaroihin. Virtsassa erittyvä virtsa on myös tehokas vetysidoksessa. Sitä ei käytetä ainoastaan liimana vanerin liimaamiseen, vaan hehkulampikorennon toukat käyttävät sitä tehdäkseen silkistään tahmeaa.

Hämähäkinseitin vahvuus kokonaisuutena johtuu sen kyvystä tarttua saaliskohteisiin sekä kyvystä hidastaa niitä rikkoutumatta.

Miksi silkki on niin vahvaa?

Vetoketjusilkki on helpointa kerätä hämähäkkieläimistä, ja se on myös sitkeintä. Koska sitä on niin helppo korjata, se on silkki, josta tiedämme eniten.

Silkki on jättimäinen prioni, eräänlainen proteiinikide. Spineretin sisällä se koostuu nestemäiseen väliaineeseen suspendoituneista silkinpalasista. Kun se puristetaan ulos, molekyylit yhdistyvät ja luovat jättimäisen langan, joka tulee ulos hämähäkin takapuolesta.

Miten ne yhdistyvät, on keskustelun aihe, enkä aio mennä siihen tässä. Röntgenkristallografian ansiosta tiedämme kuitenkin, miltä molekyylit näyttävät, ja on paljon yksinkertaisempaa aloittaa molekyylistä ja edetä ylöspäin.

Molekyyleistä hämähäkinseitiksi

Koska tämä kysymys tuli ryhmältä, joka leikkii kilpailullisesti legoilla, katsotaanpa, miten nämä molekyylit liittyvät toisiinsa. Tärkeät rakenteet molekyylissä ovat proteiinin jäykkiä osia, joita kutsutaan beetalevyiksi ja jotka vahvistavat itseään vetysidoksilla:

Tässä on röntgenkristallografian ”valokuva” yksittäisestä silkkimolekyylistä:

Nämä keltaiset segmentit ovat beetalehtiä, ja ne pitävät proteiinin koossa. Lopussa oleva aines koostuu enimmäkseen toisenlaisesta rakenteesta, jota kutsutaan alfaheliksiksi. Beeta-arkit pitävät molekyylin kasassa, kun taas alfaheliksit antavat molekyylin venyä hieman. Hämähäkkisilkki on joukko näitä molekyylejä, jotka ovat kiinni toisissaan, ja tapa, jolla ne ovat kiinni toisissaan, vahvistaa toisiaan maksimoimalla nämä vetysidokset.

Näin nuo molekyylit ovat kiinni toisissaan:

Hämähäkkisilkin rakenteessa nuo yksittäiset molekyylit linkittyvät toisiinsa muodostaen lankojen sisälle kiteitä. Näitä kiteitä pitävät löyhästi yhdessä joustavammat säikeet. Beetasäikeiden sisällä olevat vetysidokset luovat vahvan rakenteen, joka on vahvistettu useilla tasoilla. Joustavat proteiinirakenteet mahdollistavat sen, että hämähäkkisilkki on joustavaa ja venyvää.

Tämä löysä kokoelma kiteitä ja proteiinirakenteita muodostaa köyden… ja hämähäkki kehrää useita köysiä. Näitä köysiä pitävät yhdessä pari proteiinikerrosta, ja tämä tarjoaa toisen lujituskerroksen:

Voisimmeko käyttää silkkiä ihmisten pitelemiseen, jos sitä skaalattaisiin suuremmaksi?

Kysymykseen on hankala vastata, koska emme itse asiassa vielä osaa tehdä hämähäkkisilkistä suuria köysiä. Voidakseen kehrätä optimaalisen vahvuuden, minkä tahansa eläimen ruumiin ulkopuolella tuotetun silkin kemiallisten olosuhteiden on oltava täydelliset. Emme ole vielä aivan suuressa mittakaavassa tuotannossa, vaikka saatammekin olla jo lähempänä.

Siitä huolimatta jonkinlainen vertailu auttaa. Kiipeilyköydet on tehty venyvästä nailonista, ja säie vahvin hämähäkkisilkki on 18 kertaa vahvempi suhteessa. Silkkiperhosen silkki, jota tuotetaan massatuotantona, on suhteessa noin 6 kertaa vahvempaa. Toukan silkkiä on tuotettu massatuotantona tuhansia vuosia, joten tämä on aika hyvä malli.

On syytä mainita, että yllä olevissa tiedoissa verrataan yksittäin kehrättyjä lankoja kaupallisesti valmistettuun kiipeilyköyteen. Valmistusmenetelmät, kosteus, tapa, jolla kangas on kudottu, ja jopa sellaiset asiat kuin väriaineet voivat vaikuttaa kaupallisesti valmistettujen tuotteiden lujuuteen. Vaikka yksittäinen silkkisäie, joko hämähäkki- tai toukkasilkki, on suunnilleen yhtä vahva kuin kiipeilyköydessä käytetty yksittäinen nailonsäie… En ole erityisen tyytyväinen tähän vertailuun.

Minusta tuntuu, että ainoa tapa vastata kunnolla tähän kysymykseen on tarkastella kaupallisesti valmistettuja tuotteita, jotka on suunniteltu pitämään ihmisiä. Tässä kohtaa ilmasilkki palaa takaisin kuvaan.

Tämä on nylonkankaalla suoritettu tanssi, mikä tarkoittaa, että voin verrata tämän kankaan murtolujuutta kaupallisesti valmistettuun silkkikankaaseen. Aerial silkkikangas (taas nylonista valmistettu) kestää hieman yli 1100 kg. Suran puolestaan murtolujuus on 30 kg. Tämä on huomattavasti alle sen, millä minä koskaan tukisin itseäni. Köysien tai ilmasilkkojen on kestettävä vähintään 10 kertaa painosi verran, jotta niitä voi käyttää turvallisesti.

Silkistä on olemassa sovelluksia, joita on käytetty ihmisten pitämiseen, mutta toisen maailmansodan jälkeinen pula ja kauppasopimukset muuttivat silkin tämäntyyppisten suojavarusteiden valmistukseen käytetystä kankaasta vaatteeksi. Tapa, jolla silkki valmistetaan, voi muuttaa voimakkaasti sen lujuutta, joten silkistä tehdyt tavarat eivät välttämättä ole vahvempia kuin nailonista tehdyt tavarat, vaikka yksittäiset langat saattavat olla vahvempia.

Lopputulos

Biomimetiikan alalla on viime vuosina saavutettu todella suuria edistysaskeleita hämähäkinsilkin jäljentämisessä, mutta hämähäkin hämähäkinsilkin ja in vitro -tuotantojärjestelmien väliset valtavat erot biokemiassa ovat vaikeuttaneet tätä. Silkin maine ylellisyyshyödykkeenä ja siihen liittyvät taloudelliset näkökohdat ovat suosineet nylonia turvavarusteissa silkin sijasta, vaikka silkki on hypoteettisesti parempi monilla mittauksilla.

Silkki, olipa se peräisin hämähäkistä tai hyönteisestä, on erittäin luja materiaali, vaikkakin tämä sekoitetaan usein sitkeyteen. Tyypillinen verkkoa rakentava hämähäkin vetoköysi on itse asiassa suunnilleen yhtä vahva kuin tyypillinen nailonlanka, vaikka sen sitkeys on yli kaksi kertaa suurempi. Kaupallinen valmistus voi muuttaa tätä jyrkästi monista syistä, ja sama kuitu eri mittakaavassa voi olla ominaisuuksiltaan erilainen lukuisten tekijöiden vuoksi.

Suurin edistysaskel keinotekoisen hämähäkkisilkin valmistuksessa tapahtui tällä viikolla. Tutkijaryhmä tunnisti silkkiproteiinien eri osia, jotka liukenivat paremmin olosuhteissa, joita he käyttivät silkin valmistamiseen, ja fuusioi ne yhteen. Tuloksena oli massatuotantokelpoinen hämähäkkisilkki, joka on puolet sitkeämpää ja neljäsosa vahvempaa kuin hämähäkkien kehräämä silkki.

Olemme siis pääsemässä perille…mutta meillä on vielä pitkä matka edessämme.

Works Cited