शोधकर्ताओं ने आणविक अंतःक्रियाओं का खुलासा किया है जो मकड़ी के रेशम को ताकत और लचीलेपन का उल्लेखनीय संयोजन प्रदान करती हैं। यह खोज वैज्ञानिकों को हवाई जहाज, सुरक्षात्मक गियर और चिकित्सा उपयोग के लिए नई जैव-प्रेरित सामग्री डिजाइन करने में मदद कर सकती है, साथ ही अल्जाइमर रोग जैसे तंत्रिका संबंधी विकारों के बारे में भी जानकारी प्रदान कर सकती है।
अध्ययन, जर्नल में प्रकाशित राष्ट्रीय विज्ञान अकादमी की कार्यवाही किंग्स कॉलेज लंदन और सैन डिएगो स्टेट यूनिवर्सिटी (एसडीएसयू) के वैज्ञानिकों द्वारा, मौलिक डिजाइन सिद्धांतों की रूपरेखा तैयार की गई है जो उच्च प्रदर्शन, पर्यावरण के अनुकूल फाइबर की एक नई पीढ़ी के निर्माण का मार्गदर्शन कर सकते हैं।
महत्वपूर्ण बात यह है कि यह शोध यह समझाने वाला पहला है कि स्पाइडर रेशम प्रोटीन के भीतर अमीनो एसिड किस तरह से बातचीत करते हैं जो उन्हें आणविक “स्टिकर” की तरह कार्य करने की अनुमति देता है, जो सामग्री को बनाते समय एक साथ रखता है।
किंग्स कॉलेज लंदन में कम्प्यूटेशनल सामग्री विज्ञान के प्रोफेसर और यूके अनुसंधान टीम के नेता क्रिस लोरेंज ने निष्कर्षों की व्यापक क्षमता पर प्रकाश डाला। उन्होंने कहा, “संभावित अनुप्रयोग विशाल हैं – हल्के सुरक्षात्मक कपड़े, हवाई जहाज के घटक, बायोडिग्रेडेबल चिकित्सा प्रत्यारोपण और यहां तक कि नरम रोबोटिक्स भी इन प्राकृतिक सिद्धांतों का उपयोग करके इंजीनियर किए गए फाइबर से लाभ उठा सकते हैं।”
स्पाइडर सिल्क स्टील से अधिक मजबूत क्यों है?
स्पाइडर ड्रैगलाइन सिल्क अपने असाधारण प्रदर्शन के लिए जाना जाता है। पाउंड प्रति पाउंड, यह स्टील से अधिक मजबूत और केवलर से अधिक सख्त है – बुलेट-प्रूफ जैकेट बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली सामग्री। मकड़ियाँ अपने जाले के संरचनात्मक ढाँचे को बनाने और खुद को लटकाने के लिए इस सामग्री पर भरोसा करती हैं, और वैज्ञानिक लंबे समय से इस बात से आकर्षित हैं कि प्रकृति इस तरह के असाधारण फाइबर का उत्पादन कैसे करती है।
इस प्रकार का रेशम मकड़ी की रेशम ग्रंथि के अंदर बनता है, जहां रेशम प्रोटीन एक गाढ़े तरल के रूप में संग्रहीत होता है जिसे “रेशम डोप” कहा जाता है। आवश्यकता पड़ने पर मकड़ी इस तरल को उल्लेखनीय यांत्रिक गुणों वाले ठोस रेशों में बदल देती है।
वैज्ञानिकों को पहले से ही पता था कि प्रोटीन फाइबर में खींचे जाने से पहले तरल जैसी बूंदों में इकट्ठा होते हैं। हालाँकि, आणविक चरण जो इस प्रारंभिक क्लस्टरिंग को रेशम की अंतिम ताकत से जोड़ते हैं, एक रहस्य बना हुआ था।
रेशम निर्माण के पीछे आणविक अंतःक्रिया
इस पहेली को हल करने के लिए, रसायनज्ञों, बायोफिजिसिस्टों और इंजीनियरों की एक अंतःविषय टीम ने उन्नत कम्प्यूटेशनल और प्रयोगशाला तकनीकों की एक श्रृंखला का उपयोग किया। इनमें आणविक गतिशीलता सिमुलेशन, अल्फाफोल्ड3 संरचनात्मक मॉडलिंग और परमाणु चुंबकीय अनुनाद स्पेक्ट्रोस्कोपी शामिल थे।
उनके विश्लेषण से पता चला कि दो अमीनो एसिड, आर्जिनिन और टायरोसिन, एक विशिष्ट तरीके से बातचीत करते हैं जिससे रेशम प्रोटीन शुरुआती चरणों में एक साथ एकत्रित हो जाते हैं। रेशम के जमने पर ये अंतःक्रियाएँ गायब नहीं होतीं। इसके बजाय, वे फाइबर बनने के दौरान सक्रिय रहते हैं, जटिल नैनोस्ट्रक्चर बनाने में मदद करते हैं जो मकड़ी के रेशम को असाधारण ताकत और लचीलापन देता है।
लोरेंज ने कहा, “यह अध्ययन एक परमाणु-स्तर की व्याख्या प्रदान करता है कि कैसे अव्यवस्थित प्रोटीन उच्च क्रम वाले, उच्च-प्रदर्शन संरचनाओं में इकट्ठे होते हैं।”
मस्तिष्क विज्ञान और अल्जाइमर अनुसंधान के लिंक
अध्ययन में अमेरिकी पक्ष का नेतृत्व करने वाले भौतिक और विश्लेषणात्मक रसायन विज्ञान के एसडीएसयू प्रोफेसर ग्रेगरी हॉलैंड ने कहा कि प्रक्रिया की रासायनिक जटिलता अप्रत्याशित थी।
हॉलैंड ने कहा, “जिस बात ने हमें आश्चर्यचकित किया वह यह थी कि रेशम – जिसे हम आमतौर पर एक सुंदर सरल प्राकृतिक फाइबर के रूप में सोचते हैं – वास्तव में एक बहुत ही परिष्कृत आणविक चाल पर निर्भर करता है।” “हमने जिस प्रकार की अंतःक्रियाओं की खोज की है, उनका उपयोग न्यूरोट्रांसमीटर रिसेप्टर्स और हार्मोन सिग्नलिंग में किया जाता है।”
इस ओवरलैप के कारण, शोधकर्ताओं का मानना है कि निष्कर्षों में सामग्री विज्ञान से परे निहितार्थ हो सकते हैं।
हॉलैंड ने कहा, “जिस तरह रेशम प्रोटीन चरण पृथक्करण से गुजरते हैं और फिर β-शीट-समृद्ध संरचनाएं बनाते हैं, वह तंत्र को प्रतिबिंबित करता है जिसे हम अल्जाइमर जैसे न्यूरोडीजेनेरेटिव रोगों में देखते हैं।” “रेशम का अध्ययन हमें यह समझने के लिए एक स्वच्छ, विकास-अनुकूलित प्रणाली देता है कि चरण पृथक्करण और β-शीट गठन को कैसे नियंत्रित किया जा सकता है।”
