Örümcek Ağı Neden Bu Kadar Sağlam?

Örümcek ipeği doğada en sert liflerden biridir ve şaşırtıcı özelliklere sahiptir. Örümcek ağları, hafif rüzgarlarda ve küçük böceklerin yakalanmasında esneyip yeniden eski halini alabiliyorken, kuvvetli fırtınalarda ise en çok esneyen bölümler sertleşip kopabiliyor. Örümcek ağlarının bu gibi farklı stres durumlarında farklı tepkiler gösterebilmesi bilim insanlarının her zaman ilgisini çekmiş ve araştırmalara konu olmuştur. Örümcek ağı neden bu kadar sağlam? Örümcek ipliklerinin yapısında neler var? Örümcek ağı yapay olarak üretilebilir mi? Yeni araştırmalar örümcek ipeğinin neden bu kadar sert olduğunu ve değişkenlik gösterdiğini açıklıyor.

Örümcek Ağı Neden Bu Kadar Sağlam?

Örümcek Ağlarının Hafif İpek İplikleri Neden Diğer Malzemelerin Çoğundan Daha Serttir?

Örümcek ağları temel olarak ipek ipliklerden oluşur. Oldukça ince yapıda olan bu iplikler, hafif ve esnek olmalarının yanı sıra, yüksek kaliteli çelikten daha güçlü bir yapıya sahiptir.

Bu nedenle bilim insanları örümcek ipliklerinin yapılarını daha iyi anlamaya çalışmakta ve cerrahi ipliklerden, askeri kıyafetlere kadar oldukça geniş yelpazede kullanım potansiyeli taşıyan bu üstün nitelikli malzemelerin endüstriyel boyutta kullanımını sağlamak için onları yapay yollarla üretme çalışmalarına devam etmektedirler.

Sentetik örümcek ipeği zaten endüstriyel ölçekte üretilip çeşitli ürünlerde kullanılmasına rağmen, doğal olanın mükemmel mekanik özelliklerini taklit edebilmekten uzak durumdadır.

Sentetik örümcek ipeğinden üretilmiş bir parka

Würzburg Üniversitesi‘nden bilim insanları, örümcek ipeğinin olağanüstü bir protein içerdiğini keşfettiler ve Nature Communications’da bir makale ile yayınladılar.

Örümcek İpeğinin Yapısında Neler Var?

Canlı yaşamı protein‘e bağlıdır. Canlılardaki protein sentezinde 20 farklı amino asit türü rol oynamaktadır. Bu amino asitlerin sayısı ve sıralaması proteinin özelliklerini belirler. Amino asitlerin lineer zincirleri olarak sentezlendikten sonra, çoğu protein yüksek derecede düzenli üç boyutlu yapılar halinde bulunur.

Protein Sentezi – Amino asitlerin sayısı ve sıralaması proteinin özelliklerini belirler. | Örümcek Ağı Neden Bu Kadar Sağlam?

Doğal amino asitler, yan zincirlerinin özelliklerine göre kabaca iki gruba ayrılabilir.

• Hidrofilik (suyu seven)
• Hidrofobik (suyu sevmeyen)

Lösin gibi hidrofobik amino asitlerin (suyu sevmeyen) protein yapısının merkezinde yer alması durumunda yüksek dayanıma sahip iplik elde edilebilmektedir. Bu nedenle, örümcek ipeğinin güçlü yapısının lösin amino asidinden kaynaklandığı düşünülüyordu.

Ancak araştırmacılar örümceklerin, ipek proteinlerini daha önce bilinmeyen bir şekilde sıkıca bağlamak için metiyonin adı verilen belirli bir amino asidi kullandığını keşfettiler.

Metiyonin hidrofobik amino (suyu sevmeyen) asitler grubuna aittir. Ayrıca metiyoninin yan zincirinin, diğer 19 doğal amino asidin yan zincirlerine kıyasla son derece esnek olduğu bilinmektedir. Ancak çoğu proteinde nadir olarak görünür. Bu sebepten bugüne kadar moleküler biyologlar ve bilim insanları bu amino aside çok az dikkat ettiler.

Würzburg Üniversitesi bilim insanları, örümcek ipeği proteinlerindeki metiyonin amino asitlerini sistematik bir şekilde lösin ile değiştirdi ve sonuçları gözlemlediler.

Elde edilen bulgulara göre metiyonin amino asidinin yan zincirleri sayesinde proteinin esnek bir yapıya sahip olduğunu gördüler. Bunun sonucunda protein zincirleri arasında etkileşimin arttığını bu sayede zincirlerin birbirlerine bağlandığını keşfettiler.

Bu araştırma sonunda örümcek ipeğinin üstün mekanik özelliklerinin metiyonin amino asitleri sayesinde ortaya çıkmış olduğunu gördüler.

Metiyonin Amino Asitleri Malzeme Bilimini Nasıl Etkiler?

Doğadaki en sert malzemelerden birisinin örümcek ipeği olduğunu düşünürsek, endüstriyel anlamda esnekliği ve dayanıklılığı bir arada toplayan bu malzemenin eşsiz özelliklerini daha iyi anladığımızda malzeme biliminde sayısız potansiyel uygulamalarıyla karşılaşabiliriz.

Dolayısıyla, malzeme biliminin gelişimi anlamında, ipek proteinlerindeki metiyonin amino asidinin, örümcek ipeği proteinleri arasında sıkı etkileşimler sağladığı keşfi büyük önem taşımaktadır.

Üretilecek sentetik malzemenin mekanik özellikleri proteindeki metiyonin içeriğinin değiştirilmesiyle ihtiyaca göre ayarlanabilir. Bu sayede istenilen özelliklere sahip teknolojik ürünler elde edilebilir.

Kaynaklar:

• https://scitechdaily.com/new-research-finally-explains-why-spider-silk-is-so-incredibly-tough/
• https://phys.org/news/2019-09-spider-silk-malleable-protein.html
• https://phys.org/news/2018-12-molecular-insights-spider-silk.html
• https://services.tubitak.gov.tr/edergi/user/yaziForm1.pdf?dergiKodu=4&cilt=53&sayi=626&sayfa=80&yaziid=43759