Tiết lộ bí mật của loài nhện tạo ra sợi tơ bền nhất thế giới

Các nhà khoa học đã giải mã bộ gene của một loài nhện Madagascar tạo ra những tấm tơ nhện bền nhất và có kích thước lớn nhất thế giới, và phát hiện ra một loại protein độc nhất khiến tơ nhện có độ dai chắc cao hơn gấp 10 lần sợi Kevlar.

Phát hiện phân tử quan trọng và cách sử dụng nó được công bố trên tạp chí Communications Biology.

"Chúng tôi hy vọng rằng, khám phá của chúng tôi sẽ được sử dụng để tạo ra các vật liệu mới có độ bền không thua kém sợi tơ của loài nhện vỏ cây Darwin (Caerostris darwini), mà sợi tơ của chúng là loại vật liệu sinh học bền nhất trên Trái đất. Phát hiện của chúng tôi một lần nữa cho thấy rằng, các cuộc nghiên cứu sinh học tiến hoá là rất quan trọng đối với sự phát triển của công nghệ sinh học" - nhà khoa học  Jessica Garb từ Đại học Massachusetts Lowell (Hoa Kỳ) cho biết.

Nhện Madagascar.

Mạng nhện thu hút sự chú ý của nhiều kỹ sư, nhà hóa sinh và nhà sinh học. Kỹ sư quan tâm đến những phương pháp tạo ra mạng lưới, nhà hóa sinh muốn biết thành phần hóa học của sợi tơ, và nhà sinh học muốn làm sáng tỏ các cơ chế thích nghi mà con nhện sử dụng để tạo mạng. Các nhà khoa học cho rằng, sao chép các kỹ năng của nhện sẽ giúp chúng ta tạo ra áo giáp siêu nhẹ và cấu trúc siêu bền.

Những con nhện vỏ cây thuộc loài Caerostris darwini sống trong các khu rừng trên đảo Madagascar thu hút sự chú ý đặc biệt to lớn. Những con nhện này tạo mạng lưới bền nhất và có kính thước lớn nhất thế giới, có diện tích vài mét vuông và sợi tơ có chiều dài tới 25 m.

Bà Garb ghi nhận, sợi tơ của chúng mạnh gấp đôi so với mạng của các loài nhện khác, nhưng, trước đây các nhà khoa học đã không biết nguyên nhân của hiện tượng đó. Gần đây, các nhà vật lý đã phát hiện ra rằng, trên thực tế, các sợi tạo mạng của nhện Darwin có thể kéo dài gần gấp đôi khi ai đó cố gắng phá vỡ chúng, nhưng, cơ chế phân tử của độ đàn hồi đáng kinh ngạc này đã là một bí ẩn đối với các nhà khoa học.

Vấn đề là ở chỗ: tơ của tất cả các loài nhện, kể cả Caerostris darwini, là sợi protein có cấu trúc giống nhau cho tất cả các loài nhện. Điều này khiến các nhà khoa học suy nghĩ về việc tại sao chỉ riêng tơ của loài nhện Madagascar có độ bền phi thường.

Mạng nhện Caerostris darwini.

Để trả lời câu hỏi này, nhà khoa học Garb và các đồng nghiệp của bà đã trích xuất các tế bào tạo ra tơ trong các cơ quan của nhện, theo dõi hoạt động của các gen khác nhau trong các tế bào đó và giải mã cấu trúc của chúng. Ngoài hai loại protein trong tơ nhện đã được biết đến, các nhà khoa học đã phát hiện một loại peptide khác biệt rõ rệt với cấu trúc của chúng.

Sau khi phân tích cấu trúc của phân tử được đặt tên là MaSp4, các nhà khoa học phát hiện ra rằng, nó chứa một lượng lớn proline, một loại axit amin, có lẽ liên quan đến mức độ đàn hồi của mạng nhện. Các liên kết của protein này được tích hợp vào các sợi tơ có thể mang đặc tính đàn hồi của lò xo, giúp mạng nhện co giãn và đồng thời duy trì độ bền cao.

Ngoài MaSp4, tính chất độc đáo của mạng nhện Caerostris darwini có thể liên quan đến thực tế là các cơ quan kéo sợi của con nhện có chiều dài bất thường và được sắp xếp hơi khác so với các loài nhện khác. Như các nhà khoa học giả định, các đặc điểm này giúp cho ba loại protein tơ nhện liên kết chặt chẽ hơn với nhau và xếp thành hàng trơn, điều đó làm tăng độ bền và không làm giảm tính đàn hồi.

Các nhà khoa học hy vọng rằng, tất cả những khám phá này sẽ giúp tạo ra phiên bản tổng hợp giống như tơ nhện để thay thế sợi Kevlar trong áo giáp, cũng như để thay thế các sợi tơ cổ điển đang được sử dụng trong y học, ngành dệt may và nhiều lĩnh vực khác.

• Khám phá bí mật sức bền tơ nhện
• Đã tìm ra cách biến đổi gene để tạo ra tơ nhện như Spider Man