Lebih kuat dari baja, lebih tangguh dari Kevlar – para ilmuwan memberikan pencerahan baru tentang sutra laba-laba terkuat di dunia

Banyak ilmuwan bercita-cita untuk menemukan kemampuan luar biasa laba-laba dalam memintal benang sutra yang sangat kuat, ringan, dan fleksibel. Faktanya, sutera laba-laba lebih kuat dari baja dan lebih tangguh dari Kevlar. Namun, belum ada yang mampu meniru karya laba-laba tersebut.

Jika kita dapat mengembangkan bahan sintetis yang setara dengan sifat-sifat ini, hal ini dapat membuka kemungkinan baru: sutra laba-laba sintetis dapat menggantikan bahan seperti Kevlar, poliester, dan serat karbon di industri, dan dapat digunakan, misalnya, untuk membuat bahan ringan. dan produk yang fleksibel. Jaket antipeluru.

Irina Iashina, peneliti postdoctoral dan ahli biofisika dari Departemen Biokimia dan Biologi Molekuler di University of Southern Denmark (SDU), berpartisipasi dalam perlombaan untuk mengungkap resep supersilk. Dia telah terpesona dengan sutra laba-laba sejak dia menjadi mahasiswa master di SDU, dan saat ini sedang meneliti topik tersebut di Massachusetts Institute of Technology di Boston dengan dukungan dari Velome Foundation.

Ahli biofisika Irina Iashina, Universitas Denmark Selatan, mempelajari sutra laba-laba di komputer. Kredit: Anders Boe/Universitas Denmark Selatan

Sebagai bagian dari penelitiannya, ia berkolaborasi dengan asisten profesor SDU dan ahli biofisika Jonathan Brewer, seorang ahli dalam menggunakan berbagai jenis mikroskop untuk melihat struktur biologis.

Bersama-sama mereka kini, untuk pertama kalinya, mempelajari bagian dalam sutera laba-laba menggunakan mikroskop optik tanpa memotong atau membuka sutera dengan cara apa pun. Karya ini sekarang telah diterbitkan di jurnal Laporan ilmiah Dan Pemindaian selesai.

“Kami menggunakan beberapa teknik mikroskop canggih, dan kami juga mengembangkan mikroskop optik jenis baru yang memungkinkan kami melihat sepotong serat dan melihat apa yang ada di dalamnya,” jelas Jonathan Brewer.

Laba-laba jaring bola emas menghasilkan sutranya dari ujung belakangnya. Kredit: Anders Boe/Universitas Denmark Selatan

Hingga saat ini, sutera laba-laba telah dianalisis menggunakan teknik berbeda, yang semuanya memberikan wawasan baru. Namun, ada juga kelemahan dari teknik ini, seperti yang ditunjukkan oleh Jonathan Brewer, karena teknik ini sering kali memerlukan pemotongan benang sutra (juga dikenal sebagai serat) hingga terbuka untuk mendapatkan potongan melintang untuk mikroskop atau pembekuan sampel, yang dapat mengubah strukturnya. serat sutra.

“Kami ingin mempelajari serat murni yang tidak diolah dan belum dipotong, dibekukan, atau diproses dengan cara apa pun,” kata Irina Iashina.

Untuk tujuan ini, duo peneliti ini menggunakan teknik yang kurang invasif seperti Hamburan Raman Anti-Stokes yang Koheren, mikroskop confocal, mikroskop confocal reflektansi fluoresensi resolusi super, mikroskop pemindaian ion helium, dan semprotan ion helium.

Berbagai penelitian mengungkapkan bahwa serat sutera laba-laba setidaknya terdiri dari dua lapisan lipid terluar, yaitu lipid. Di belakangnya, di dalam fibril, terdapat banyak yang disebut fibril yang tersusun lurus dan tersusun rapat berdampingan (lihat gambar). Diameter fibril berkisar antara 100 dan 150, kurang dari batas yang dapat diukur dengan mikroskop optik biasa.

Ilustrasi dari Laporan ilmiah Makalah: Representasi skematis (bukan skala) dari usulan struktur serat sutera laba-laba seperti yang ditemukan dalam karya ini. (A) Tampak samping serat, (B) Penampang melintang serat. Lapisan luar kaya lipid non-konduktif (hijau) setebal 0,6 hingga 1 µm, dan dua lapisan konduktif dalam dari protein autofluoresen: satu menunjukkan afinitas lebih tinggi terhadap FITC (biru), dan rhodamin B lainnya menunjukkan afinitas lebih tinggi terhadap (oranye). Inti protein bagian dalam terdiri dari serat kristal, sejajar dengan sumbu panjang serat, dikelilingi oleh daerah protein amorf. Sumber: Iachina/Brewer, Universitas Denmark Selatan.

“Ini tidak dipelintir, seperti yang mungkin dibayangkan, jadi sekarang kita tahu bahwa tidak perlu memelintirnya saat mencoba membuat sutra laba-laba buatan,” kata Irina Iashina.

Iachina dan Brewer bekerja dengan serat sutra dari laba-laba jaring bola emas, Nephila madagascariensis, yang menghasilkan dua jenis sutra berbeda: satu, disebut MAS (serat sutra ampullary utama), digunakan untuk membuat jaring laba-laba, dan juga merupakan sutra yang digunakan laba-laba untuk menempel. Irina Iashina menyebutnya sebagai sumber kehidupan laba-laba. Ini sangat kuat dan diameternya sekitar 10 mikrometer.

Yang lainnya, disebut MiS (serat sutera mikro ampullary), berfungsi sebagai alat bantu pembangunan. Ini lebih fleksibel dan biasanya memiliki diameter 5 mikrometer.

Menurut analisis biner, sutra MAS mengandung fibril dengan diameter sekitar 145 nm. Sedangkan untuk MiS, sekitar 116 nm. Setiap serat terdiri dari protein, dan beberapa protein berbeda terlibat. Protein ini diproduksi oleh laba-laba saat membuat serat sutranya.

Memahami bagaimana serat kuat tersebut tercipta adalah hal yang penting, namun memproduksi serat juga merupakan suatu tantangan. Oleh karena itu, para peneliti di bidang ini seringkali mengandalkan laba-laba untuk menghasilkan sutranya.

Sebaliknya, mereka dapat menggunakan metode komputasi, yang saat ini sedang dikerjakan oleh Irina Iashina Institut Teknologi Massachusetts: “Saat ini, saya sedang menjalankan simulasi komputer tentang bagaimana protein berubah menjadi sutra. Tujuannya tentu saja untuk mempelajari cara memproduksi sutra laba-laba buatan, namun saya juga tertarik untuk berkontribusi pada pemahaman yang lebih baik tentang dunia di sekitar kita. .”

Referensi: “Pencitraan nanoskopis sutra ampulla primer dan sekunder dari laba-laba jaring bola Nephila Madagascariensis” oleh Irina Iachina, Jacek Wiotowski, Horst Günter Ruban, Fritz Vollrath, dan Jonathan R. Breuer, 24 April 2023, Laporan ilmiah.
doi: 10.1038/s41598-023-33839-z

“Mikroskopi ion helium dan pemotongan sutera laba-laba” oleh Irina Iashina, Jonathan R. Breuer, Horst Günter Ruban, dan Jacek Wojtowski, 22 Mei 2023, Pemindaian selesai.
doi: 10.1155/2023/2936788