स्ट्रेचिंग स्पाइडर रेशम इसे मजबूत बनाता है

एक नए अध्ययन में, नॉर्थवेस्टर्न विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने पता लगाया है कि स्ट्रेचिंग की भूमिका इतनी महत्वपूर्ण क्यों है। एक कम्प्यूटेशनल मॉडल में स्पाइडर रेशम का अनुकरण करके, टीम ने स्ट्रेचिंग प्रक्रिया की खोज की, जो फाइबर के भीतर प्रोटीन चेन को संरेखित करती है और उन श्रृंखलाओं के बीच बॉन्ड की संख्या बढ़ जाती है। दोनों कारक मजबूत, कठिन तंतुओं को जन्म देते हैं।

टीम ने तब इंजीनियर स्पाइडर रेशम का उपयोग करके प्रयोगशाला प्रयोगों के माध्यम से इन कम्प्यूटेशनल भविष्यवाणियों को मान्य किया। ये अंतर्दृष्टि शोधकर्ताओं को सिल्क-प्रेरित प्रोटीन और विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए कताई प्रक्रियाओं को डिजाइन करने में मदद कर सकती है, जिसमें मजबूत, बायोडिग्रेडेबल टांके और कठिन, उच्च-प्रदर्शन, ब्लास्ट-प्रूफ बॉडी कवच ​​शामिल हैं।

अध्ययन शुक्रवार (7 मार्च) को जर्नल में प्रकाशित किया जाएगा विज्ञान अग्रिम।

अध्ययन के वरिष्ठ लेखक नॉर्थवेस्टर्न के सिनान केटेन ने कहा, “शोधकर्ताओं ने पहले से ही इस स्ट्रेचिंग, या ड्राइंग को जानता था, वास्तव में मजबूत फाइबर बनाने के लिए आवश्यक है।” “लेकिन कोई भी जरूरी नहीं जानता था कि क्यों। हमारी कम्प्यूटेशनल पद्धति के साथ, हम यह जांच करने में सक्षम थे कि नैनोस्केल में क्या हो रहा है, अंतर्दृष्टि प्राप्त करने के लिए जो प्रयोगात्मक रूप से नहीं देखा जा सकता है। हम यह जांच सकते हैं कि ड्राइंग रेशम के यांत्रिक गुणों से कैसे संबंधित है।”

अध्ययन के पहले लेखक नॉर्थवेस्टर्न जैकब ग्राहम ने कहा, “मकड़ियों स्वाभाविक रूप से ड्राइंग प्रक्रिया करते हैं।” “जब वे अपनी रेशम ग्रंथि से रेशम को बाहर निकालते हैं, तो मकड़ियों फाइबर को पकड़ने और इसे बाहर निकालने के लिए अपने हिंद पैरों का उपयोग करते हैं। यह फाइबर को फैलाता है क्योंकि यह बन रहा है। यह फाइबर को बहुत मजबूत और बहुत लोचदार बनाता है। हमने पाया कि आप फाइबर के यांत्रिक गुणों को केवल स्ट्रेचिंग की मात्रा को संशोधित करने के माध्यम से संशोधित कर सकते हैं।”

बायोइनस्पेड सामग्री में एक विशेषज्ञ, केटेन इंजीनियरिंग के जेरोम बी। कोहेन प्रोफेसर, मैकेनिकल इंजीनियरिंग के प्रोफेसर और एसोसिएट अध्यक्ष और नॉर्थवेस्टर्न के मैककॉर्मिक स्कूल ऑफ इंजीनियरिंग में सिविल और पर्यावरण इंजीनियरिंग के प्रोफेसर हैं। ग्राहम एक पीएच.डी. केटेन के अनुसंधान समूह में छात्र।

स्टील की तुलना में मजबूत, केवलर की तुलना में कठिन

शोधकर्ता लंबे समय से अपने उल्लेखनीय गुणों के कारण स्पाइडर रेशम में रुचि रखते हैं। यह स्टील से अधिक मजबूत है, रबर की तरह केवलर और खिंचाव से अधिक कठिन है। लेकिन उनके प्राकृतिक रेशम के लिए खेती करने वाले मकड़ियों महंगी, ऊर्जा-गहन और कठिन हैं। इसलिए, वैज्ञानिक इसके बजाय प्रयोगशाला में रेशम जैसी सामग्रियों को फिर से बनाना चाहते हैं।

“स्पाइडर रेशम सबसे मजबूत कार्बनिक फाइबर है,” ग्राहम ने कहा। “यह बायोडिग्रेडेबल होने का भी लाभ है। इसलिए, यह चिकित्सा अनुप्रयोगों के लिए एक आदर्श सामग्री है। इसका उपयोग घाव-बंद करने के लिए सर्जिकल टांके और चिपकने वाले जैल के लिए किया जा सकता है क्योंकि यह स्वाभाविक रूप से, शरीर में हानिरहित रूप से नीचा होगा।”

अध्ययन कोटहोर फुज़ोंग झांग, सेंट लुइस में वाशिंगटन विश्वविद्यालय (वॉशू) में फ्रांसिस एफ। अहमन प्रोफेसर, कई वर्षों से स्पाइडर-सिल्क सामग्री का उत्पादन करने के लिए इंजीनियरिंग रोगाणुओं का है। इंजीनियर स्पाइडर रेशम प्रोटीन को बाहर निकालकर और फिर उन्हें हाथ से खींचकर, टीम ने गोल्डन रेशम ओर्ब वीवर से थ्रेड्स के समान कृत्रिम फाइबर विकसित किया है, जो एक शानदार मजबूत वेब के साथ एक बड़ा मकड़ी है।

सिमुलेटिंग स्ट्रेचनेस

स्पाइडर रेशम के लिए इस “नुस्खा” को विकसित करने के बावजूद, शोधकर्ता अभी भी पूरी तरह से नहीं समझते हैं कि कताई प्रक्रिया फाइबर संरचना और ताकत को कैसे बदलती है। इस ओपन-एंडेड प्रश्न से निपटने के लिए, केटेन और ग्राहम ने झांग के कृत्रिम रेशम के भीतर आणविक गतिशीलता का अनुकरण करने के लिए एक कम्प्यूटेशनल मॉडल विकसित किया।

इन सिमुलेशन के माध्यम से, नॉर्थवेस्टर्न टीम ने पता लगाया कि स्ट्रेचिंग फाइबर के भीतर प्रोटीन की व्यवस्था को कैसे प्रभावित करता है। विशेष रूप से, उन्होंने देखा कि प्रोटीन के क्रम को कैसे बदल दिया जाता है, प्रोटीन का कनेक्शन एक दूसरे से और फाइबर के भीतर अणुओं की आवाजाही।

केटेन और ग्राहम ने पाया कि स्ट्रेचिंग ने प्रोटीन को “लाइन अप” कर दिया, जिससे फाइबर की समग्र ताकत बढ़ गई। उन्होंने यह भी पाया कि स्ट्रेचिंग ने हाइड्रोजन बॉन्ड की संख्या में वृद्धि की, जो फाइबर बनाने के लिए प्रोटीन चेन के बीच पुलों की तरह काम करते हैं। हाइड्रोजन बॉन्ड में वृद्धि फाइबर की समग्र शक्ति, क्रूरता और लोच में योगदान देती है, शोधकर्ताओं ने पाया।

ग्राहम ने कहा, “एक बार जब एक फाइबर को बाहर कर दिया जाता है, तो इसके यांत्रिक गुण वास्तव में काफी कमजोर होते हैं,” ग्राहम ने कहा। “लेकिन जब यह अपनी प्रारंभिक लंबाई के छह गुना तक खिंचाव करता है, तो यह बहुत मजबूत हो जाता है।”

प्रायोगिक सत्यापन

अपने कम्प्यूटेशनल निष्कर्षों को मान्य करने के लिए, टीम ने स्पेक्ट्रोस्कोपी तकनीकों का उपयोग किया ताकि यह जांच की जा सके कि कैसे प्रोटीन चेन को वॉशू टीम से वास्तविक फाइबर में फैलाया और संरेखित किया गया। उन्होंने यह भी देखने के लिए तन्यता परीक्षण का उपयोग किया कि फाइबर को तोड़ने से पहले कितना खिंचाव सहन कर सकता है। प्रयोगात्मक परिणाम सिमुलेशन की भविष्यवाणियों से सहमत हुए।

“यदि आप सामग्री को नहीं बढ़ाते हैं, तो आपके पास प्रोटीन के इन गोलाकार ग्लोब हैं,” ग्राहम ने कहा। “लेकिन स्ट्रेचिंग इन ग्लोब्स को एक परस्पर जुड़े हुए नेटवर्क में बदल देता है। प्रोटीन चेन एक दूसरे के शीर्ष पर ढेर हो जाता है, और नेटवर्क अधिक से अधिक परस्पर जुड़ जाता है। बंडल किए गए प्रोटीनों में फाइबर के टूटने से पहले उजागर करने और आगे बढ़ने की अधिक क्षमता होती है, लेकिन शुरू में विस्तारित प्रोटीन कम एक्सटेंसिबल फाइबर के लिए बनाते हैं जो अधिक बल की आवश्यकता होती है।”

हालांकि ग्राहम को लगता था कि मकड़ियों सिर्फ डरावना-क्रॉलियां थीं, वह अब वास्तविक समस्याओं को हल करने में मदद करने के लिए अपनी क्षमता देखती है। वह नोट करता है कि इंजीनियर स्पाइडर रेशम अन्य सिंथेटिक सामग्रियों के लिए एक मजबूत, बायोडिग्रेडेबल विकल्प प्रदान करता है, जो ज्यादातर पेट्रोलियम-व्युत्पन्न प्लास्टिक हैं।

“मैं निश्चित रूप से मकड़ियों को एक नई रोशनी में देखता हूं,” ग्राहम ने कहा। “मुझे लगता है कि वे उपद्रव थे। अब, मैं उन्हें आकर्षण के स्रोत के रूप में देखता हूं।”

नेशनल साइंस फाउंडेशन (ग्रांट नंबर OIA-2219142 और DMR-2207879) द्वारा समर्थित थी, “ड्राइंग प्रक्रिया के पूर्वानुमान मॉडलिंग के माध्यम से सिंथेटिक रेशम फाइबर के यांत्रिक गुणों के लिफाफे को चार्टिंग करते हुए।