مادة لاصقة بيولوجية مبتكرة

مثل دودة القز والفراشات والعناكب، تنتج يرقات ذبابة القمص خيوطًا حريرية، لكنها تفعل ذلك تحت الماء، وليس على الأرض. الآن، اكتشف الباحثون في جامعة يوتا سبب التصاق خيوط الحرير في بيئة مائية، وكيف يمكن أن تكون هذه المعلومات ذات قيمة للتطوير المستقبلي للمواد اللاصقة الجراحية.

مثل دودة القز والفراشات والعناكب، تنتج يرقات ذبابة القمص خيوطًا حريرية، لكنها تفعل ذلك تحت الماء، وليس على الأرض. الآن، اكتشف الباحثون في جامعة يوتا سبب التصاق خيوط الحرير في بيئة مائية، وكيف يمكن أن تكون هذه المعلومات ذات قيمة للتطوير المستقبلي للشريط الجراحي.

يقول راسل ستيوارت، أستاذ الهندسة الحيوية والمؤلف الرئيسي للورقة التي توضح بالتفصيل الخصائص الكيميائية والهيكلية للخيوط: "قد تكون خيوط حرير الحشرات هذه مفيدة يومًا ما كمادة لاصقة حيوية طبية لالتصاق الأنسجة الرطبة".

ويضيف الباحث: "أتخيلها كنوع من الضمادات اللاصقة المبللة (اللاصقات) التي يمكن استخدامها في العمليات الجراحية، مثل استخدام قطعة من الشريط اللاصق لدمج الجروح بدلاً من الغرز". "إن لصق الأشياء معًا تحت الماء ليس بالمهمة السهلة. هل سبق لك أن حاولت لصق ضمادة على جسمك تحت تيار ماء الاستحمام؟ وقد تمكنت هذه الحشرة من القيام بذلك منذ ما يقرب من مائتي مليون سنة." سيتم نشر نتائج هذه الدراسة قريبا في المجلة العلمية Biomacromolecules.

هناك آلاف الأنواع من هذه الحشرة حول العالم وهي جزء من سلسلة تسمى Trichoptera وهي قريبة من سلسلة Lepidoptera والتي تضم أيضاً العث والفراشات التي تنتج خيوط الحرير الجافة. وبما أن هذه الحشرات تستخدم كغذاء لأسماك التراوت (التراوت، أو اسمك بالعبرية)، فإن الصيادين ذوي الخبرة يستخدمونها كطعم للأسماك.

تمر بعض الأنواع بمراحل الانسلاخ تحت الماء، وتبني حولها ما يشبه صندوق الحماية على شكل أسطوانة مكون من ألياف حريرية لزجة وحبيبات من الحجر أو الرمل. وتستخدم الأنواع الأخرى ألياف الحرير وقطعًا صغيرة من الخشب وقطعًا من الأوراق.

في كل من اليرقات، يبرز الرأس وأربعة أرجل خارج هذا الصندوق. في أغلب الأحيان، يكون شكل الصندوق مثل المخروط، لأنه ينمو مع تطور اليرقة التي تنضج داخله. في نهاية المطاف، تتساقط اليرقات وتغلق الصندوق أثناء تطورها إلى الشكل البالغ، ثم تفقس خارجًا منه.

هذه الحشرات تحت الماء والفراشات الأرضية وكذلك أنواع مختلفة من العث انحرفت عن أسلافها القدامى المنتجين للحرير منذ حوالي مائتي مليون سنة. وتوجد الحشرات من هذا النوع في جميع أنحاء العالم في خزانات تتراوح بين تلك التي تتدفق بقوة إلى المستنقعات الراكدة. تشرح الدراسة الجديدة أن "قدرة هذه الحشرات على العيش بنجاح في مجموعة متنوعة من البيئات المائية ترتبط ارتباطًا وثيقًا باستخدامها الأصلي لخيوط الحرير تحت الماء لبناء هياكل معقدة للحماية والتقاط الغذاء".

ينتمي ذباب القمص إلى مجموعة فرعية تسمى Brachycentrus echo، حيث تقوم الحشرات بلف نفسها في صندوق وتحمله أثناء بحثها عن الطعام. وتقوم بعض هذه الحشرات ببناء مكان هروب ثابت للحماية على شكل قبة ملتصقة بصخرة تحت الماء، حيث توجد شبكة من ألياف الحرير لالتقاط المواد الغذائية المنقولة بالمياه.

قام فريق البحث بفحص المواد اللاصقة الطبيعية، بما في ذلك الغراء الذي تم إنشاؤه في مياه المحيط بين ارتفاع المد والجزر بواسطة دودة القلعة الرملية. وفي هذه المادة تكمن إمكانية استخدامها كمادة لاصقة لدمج الكسور في العظام الصغيرة. أصبح الباحث الرئيسي مهتمًا بألياف الحرير اللزجة لهذه العائلة الحشرية بعد أن أطلعه باحث آخر على عدة صناديق يرقات أسطوانية.

ويقول: "لقد نظرنا داخل الصندوق بالمجهر وحددنا ألياف الحرير الممتدة بين حبيبات الحجر وأدركنا أن هذا أمر رائع حقًا". "عندما عدت إلى المنزل، ارتديت حذاء الصيد الخاص بي وتجولت بين الجداول الجبلية بحثاً عن يرقات هذه الحشرات". "هناك مجموعة رائعة من هذه الحشرات والمواد اللاصقة الخاصة بها قادرة على ربط مجموعة متنوعة من الأسطح تحت الماء: الناعمة والصلبة والعضوية وغير العضوية. إذا تمكنا من نسخ هذا الصمغ فسيكون مفيدًا لمجموعة واسعة من أنواع الأنسجة."

تفرز يرقات هذه الحشرات ألياف حريرية من عضو يعرف باسم المغزل. تتلاءم غدتان من الحرير معًا بحيث يبدو الغراء الناتج كشريط مزدوج مع خط التماس في المنتصف. تنسج اليرقة هذه الشبكة اللاصقة ذهابًا وإيابًا حول حبيبات الرمل أو العصي أو قطع الأوراق للحصول على اللفة النهائية.

وقام الباحثون بتربية هذه اليرقات في حوض السمك واستبدلوا الحبيبات الطبيعية بالخرز الزجاجي. قامت اليرقات بتوسيع صناديقها بالخرز، والتي تم لصقها ببعضها البعض بواسطة ألياف الحرير الرطبة. قام الباحثون بقطع عدة خرزات للحصول على عينات نظيفة من الحرير. وقاموا بفحص الحرير باستخدام عدة طرق، بما في ذلك المجهر الإلكتروني الماسح، الذي أظهر كيفية ربط ألياف الحرير مع الخرز الزجاجي داخل الصندوق الواقي. يوضح الباحث: "إن الأمر يشبه استخدام شريط لاصق شفاف داخل صندوق لتقوية شكله وتثبيته". "إنه يذكرني أكثر من أي شيء آخر بالورق اللاصق، الذي يعمل في الماء." ويعتزم الباحثون بعد ذلك قياس قوة ألياف الحرير هذه. "الخيوط الفردية ليست قوية جدًا في حد ذاتها، لكن نسج العشرات منها معًا يجعلها كذلك. إذا تمكنا من تكرار هذه التركيبة وإنشاء مادة لاصقة منها، فإن قوة القبضة ستزداد بشكل كبير."

وشمل البحث الحالي فحصا تفصيليا للتركيبة الكيميائية وبنية ألياف الحرير، وأظهر التشابه مع منتج دودة القز المستخدمة في صناعة النسيج وحتى مع شبكات العنكبوت، ولكن مع التكيف الذي يسمح لها بالعمل تحت الماء. ويقول الباحث إن نيته كانت تحديد خصائص ألياف الحرير اللزجة "لمحاولة إعادة إنتاجها في المختبر" بحيث يمكن استخدام نسختها الاصطناعية كمادة لاصقة للعمليات الجراحية. واكتشف أن حرير هذه الحشرات عبارة عن ألياف مكونة من بروتينات كبيرة تسمى الفبروين وفيها حوالي خمس الأحماض الأمينية من النوع السيرين. والفرق الرئيسي بين ألياف الحرير الجافة، والتي تنشأ من دودة القز والفراشات، والألياف الرطبة، والتي تنشأ من الحشرات، هو أن الأحماض الأمينية من نوع السيرين في الصورة الرطبة تحتوي على مجموعات الفوسفات التي أضيفت إليها أثناء خلق البروتين.

ويشير الباحث إلى أن "مجموعات الفوسفورين تُعرف بمعززات الالتصاق وتستخدم في ملحقات الأسنان مثل التيجان أو الحشوات". "توجد أيضًا في الدهانات الراتنجية ذات الأساس المائي، حيث تزيد من التصاق هذه الدهانات. ولم تكتشف صناعة الطلاء ذلك إلا مؤخراً، في حين أن هذه الحشرات تفعل ذلك منذ حوالي مائة وخمسين مليون سنة.

تكون مجموعات الفسفرة المرتبطة بالسيرين مشحونة بشكل سلبي بينما تكون الأحماض الأمينية الأخرى في البروتين مشحونة بشكل إيجابي. واكتشف الباحثون أن هذه الحقيقة تعتبر عاملاً رئيسياً في القدرة على إنتاج ألياف الحرير تحت الماء. تصطف سلاسل البروتين - التي تحتوي كل منها على مناطق متناوبة من الشحنة السالبة والشحنة الموجبة - بالتوازي مع بعضها البعض عندما يتم رسم مناطق الشحن المعاكسة لبعضها البعض على التوالي. ويوضح الباحث: "تخيل هذه السلاسل جنبًا إلى جنب، عندما تتأرجح بحيث تواجه مناطق السالب والموجب بعضها البعض وتجمع ألياف الحرير مع كمية كبيرة من هذه البروتينات في ليف واحد". "صحيح أننا لا نستطيع صنع قمصان منها، ولكن ربما يمكننا صنع شريط لاصق منها لبيئة رطبة."

"هذه البروتينات الليفية، التي تشكل ألياف الحرير، قابلة للذوبان في الماء بسبب الشحنات الكهربائية الموجودة فيها. وأظهرت مقارنة الأحماض الأمينية من ثلاث سلالات أخرى من هذه الحشرات أن هناك الكثير من التشابه بينها، مما يعني ضمنا أن مجموعات الفسفرة هي المسؤولة أيضا عن وجود ألياف الحرير الرطبة. ويضيف الباحثون ويقولون إن هذه الألياف لها أيضًا قاسم مشترك مع المادة اللاصقة لديدان قصر الرمل - فكلاهما يحتوي على بروتينات تحتوي على العديد من مجموعات الفسفور التي تسبب إيصال الأحماض الأمينية المشحونة. ويشير الباحث إلى أن القدرة على إنتاج مواد لاصقة نشطة في بيئة مائية تم تحديدها بالفعل في أربعة أنظمة حية: ديدان القلعة الرملية، والقواقع، وخيار البحر، وعائلة الحشرات المعنية - وقد توصلوا جميعا إلى هذا الحل بشكل مستقل.

الخبر من الجامعة