يتم غزل حرير العنكبوت بواسطة ديدان القز المعدلة وراثيا لأول مرة

طور علماء في الصين طريقة لإنتاج حرير العنكبوت من دودة القز المعدلة وراثيا، مما يوفر بديلا قويا ومستداما للألياف الاصطناعية مع تطبيقات في مختلف الصناعات.

قام الباحثون بتصنيع حرير العنكبوت من ديدان القز المعدلة وراثيا، مما أدى إلى إنتاج ألياف أقوى بست مرات من ألياف الكيفلار المستخدمة في السترات الواقية من الرصاص. الدراسة نشرت في 20 سبتمبر في المجلة موضوع، هو أول من نجح في إنتاج بروتينات حرير العنكبوت كاملة الطول باستخدام دودة القز. توضح النتائج تقنية يمكن استخدامها لتصنيع بديل صديق للبيئة للألياف التجارية الاصطناعية مثل النايلون.

وقال مي: “إن حرير دودة القز هو في الوقت الحاضر ألياف الحرير الحيوانية الوحيدة التي يتم تسويقها على نطاق واسع، باستخدام تقنيات تربية راسخة”. “وبالتالي، فإن استخدام ديدان القز المعدلة وراثيا لإنتاج ألياف حرير العنكبوت يتيح تسويقًا منخفض التكلفة وواسع النطاق.”

صورة من الحرير بكرة القسري. الائتمان: Junpeng مي

استدامة حرير العنكبوت

وينظر العلماء إلى حرير العنكبوت كبديل مستدام وجذاب للألياف الاصطناعية، التي يمكن أن تطلق جسيمات بلاستيكية ضارة في البيئة وغالباً ما يتم إنتاجها من الوقود الأحفوري الذي يولد انبعاثات غازات الدفيئة. لكن اللجوء إلى الطبيعة بحثًا عن بدائل لا يخلو من التحديات. لقد عانت العمليات التي تم تطويرها سابقًا لغزل حرير العنكبوت الاصطناعي من أجل وضع طبقة سطحية من البروتينات السكرية والدهون على الحرير لمساعدته على تحمل الرطوبة والتعرض لأشعة الشمس – وهي “طبقة جلدية” مضادة للشيخوخة تطبقها العناكب على شبكاتها.

يقول مي إن ديدان القز المعدلة وراثيا تقدم حلا لهذه المشكلة، حيث أن ديدان القز تغطي أليافها بطبقة واقية مماثلة.

وقال جونبينج مي، مرشح الدكتوراه في كلية العلوم البيولوجية والهندسة الطبية بجامعة دونغهوا والمؤلف الأول للدراسة: “يمثل حرير العنكبوت موردًا استراتيجيًا في حاجة ماسة إلى الاستكشاف”. “إن الأداء الميكانيكي العالي بشكل استثنائي للألياف المنتجة في هذه الدراسة يحمل وعدًا كبيرًا في هذا المجال. ويمكن استخدام هذا النوع من الألياف كخيوط جراحية لتلبية الطلب العالمي الذي يتجاوز 300 مليون عملية جراحية سنويًا.

يمكن أيضًا استخدام ألياف حرير العنكبوت لصنع ملابس أكثر راحة وأنواع مبتكرة من السترات المضادة للرصاص، كما يقول مي، وقد يكون لها تطبيقات في المواد الذكية، والجيش، وتكنولوجيا الطيران، والهندسة الطبية الحيوية.

ألياف الحرير التي تنتجها ديدان القز المعدلة وراثيا. الائتمان: Junpeng مي

عملية التوليف والتحديات

ولغزل حرير العنكبوت من دودة القز، أدخل مي وفريقه جينات بروتين حرير العنكبوت إلى داخل الخلية الحمض النووي من دودة القز بحيث يتم التعبير عنها في غددها باستخدام مزيج من تقنية تحرير الجينات CRISPR-Cas9 ومئات الآلاف من الحقن الدقيقة في بيض دودة القز المخصب. وقال مي إن الحقن المجهري شكلت “أحد أهم التحديات” في الدراسة، ولكن عندما رأى عيون ديدان القز تتوهج باللون الأحمر تحت المجهر الفلوري – وهي علامة على نجاح تحرير الجينات – شعر بسعادة غامرة.

قالت مي: “رقصت وركضت عمليًا إلى مكتب البروفيسور منج تشينغ لمشاركة هذه النتيجة”. “أتذكر تلك الليلة بوضوح، حيث أبقتني الإثارة مستيقظًا.”

احتاج الباحثون أيضًا إلى إجراء تعديلات “تعريبية” على بروتينات حرير العنكبوت المعدلة وراثيًا بحيث تتفاعل بشكل صحيح مع البروتينات الموجودة في غدد دودة القز، مما يضمن غزل الألياف بشكل صحيح. لتوجيه التعديلات، قام الفريق بتطوير “نموذج هيكلي أساسي مصغر” لحرير دودة القز.

يقول مي: “يمثل مفهوم “التوطين” الذي تم تقديمه في هذه الأطروحة، جنبًا إلى جنب مع النموذج الهيكلي البسيط المقترح، خروجًا كبيرًا عن الأبحاث السابقة”. “نحن واثقون من أن التسويق على نطاق واسع يلوح في الأفق.”

افاق المستقبل

في المستقبل، تخطط مي لاستخدام رؤى حول متانة وقوة ألياف حرير العنكبوت التي تم تطويرها في الدراسة الحالية لتطوير دودة القز المعدلة وراثيًا والتي تنتج ألياف حرير العنكبوت من المواد الطبيعية والمهندسة. أحماض أمينية.

يقول مي: “إن إدخال أكثر من مائة من الأحماض الأمينية المهندسة يحمل إمكانات لا حدود لها لألياف حرير العنكبوت الهندسية”.

المرجع: “ألياف حرير عنكبوت كاملة عالية القوة وفائقة الصلابة تم نسجها من دودة القز المعدلة وراثيًا” بواسطة Junpeng Mi، Yizhong Zhou، Sanyuan Ma، Xingping Zhou، Shouying Xu، Yuchen Yang، Yuan Sun، Qingyou Xia، Hongnian Zhu، Suyang Wang، لويانغ تيان وتشينغ منغ، 20 سبتمبر 2023، موضوع.
دوى: 10.1016/j.matt.2023.08.013

تم دعم هذا العمل من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين، والمشاريع الرئيسية للجنة العلوم والتكنولوجيا في بلدية شنغهاي، ومشاريع التعاون الدولي للجنة العلوم والتكنولوجيا في بلدية شنغهاي، وصناديق البحوث الأساسية للجامعات المركزية.