Plastikten Esnek, elikten Dayanıklı:

Sırrı özülemeyen Biyopolimer

rümcek İpei
rümcekler 400 milyon yıldır ipek üretiyorlar. Ancak birçok mühendis, biyolog, doa ve malzeme bilimci bu mucizenin gizemini hâlâ çözemedi. Doal bir biyopolimer olan örümcek ipei saç telinden ince, pamuktan hafif, plastikten esnek ancak çelikten be kat salam. Aynı zamanda biyobozunur, çevre dostu ve tamamen geridönüebilir. Tüm bu özelliklere sahip örümcek ipeini yapay olarak üretmek mümkün olursa, endüstri ve tıp alanlarında devrim niteliinde uygulamalar bekleniyor.

Aratırmacılar endüstride ya da günlük hayatta kullanılabilecek dayanıklı, güçlü ama aynı zamanda hafif yeni malzemeler tasarlama ve aratırma çabasında. Bu özelliklerin tümüne sahip bir malzeme henüz laboratuvar ortamında elde edilmi deil, ancak doada mevcut: örümcek ipei

rümcek ipei bir biyopolimer. Doal, çevre dostu ve tamamen geridönüebilir olması, bu malzemeyi aratırmacılar için cazip kılan dier özellikler. Yapay olarak üretilebilirse tıp ve endüstride devrim yaratacak yeniliklerin önünü açacak.

Bunlardan bazıları:

Doku uyumlu yapay tendon ve baların üretimi,
hassas ameliyatlar için biyobozunur ve alerji yapmayan ameliyat iplii üretimi,
dayanıklı tekstil ürünleri,
kurun geçirmez zırh,
paraüt ipi,
optik ve elektro-mekanik kablo üretimi.

400 Milyon Yıllık Sır

rümcekler 400 milyon yıldır ipek üretiyor. Ancak bilim insanları, çelikten be kat salam, plastikten iki kat esnek aynı zamanda su geçirmeyen bu doa mucizesinin sırrını hâlâ çözebilmi deil.

rümcekler ipeklerini birçok amaç için üretiyor

rümcekler ipeklerini bata hayatlarını sürdürmek olmak üzere birçok amaç için üretiyor. İpek iplikleriyle ördükleri a sayesinde avlanıyor, çevresinde oluturdukları ipekten koza sayesinde yumurtalarının zarar görmemesini salıyorlar. Birçok örümcek yaamlarına ipek içerisinde kundaklanmı olarak balıyor. İpek sayesinde hava akımını yakalayıp yuvalarından uzaklaarak ilk gezintilerine de çıkabiliyorlar.

rümcek ipeinin özellikleri örümcek cinsine göre farklılık gösterebiliyor

Bazı örümcekler, kendi türlerine özgü farklı kimyasal ve fiziksel özelliklere sahip ipek üretebiliyorlar. rümceklerin avları için bir tuzak olan ve ipek ipliklerden meydana gelen a, yapıkan bölümleri ve kubbemsi, hamak ya da yumak eklindeki özel tasarımlarıyla uçan böcekleri bile avlayabilecek özellikte.

Yapıkan sıvı madde havayla temas edince iplik oluyor

Bütün örümcekler a yapmıyor, ama hepsi en azından yumurtalarını koruma amacıyla yumurtalarının çevresine koza yapıyor. rümcekler a yapmak için özellemi üç çift örü memesine, her örü memesinde de sayıları yaklaık 2 ile 50.000 arasında deien ince kanalcıa sahip. Bu kanalcıklardan dıarı çıkan yapıkan ve sıvı madde havayla temas edince iplikçik halini alıyor. rümcek iki arka bacaının üzerindeki özel taraklarla salgılanan iplii eiriyor. Birçok örümcek, alarını protein kaynaı olarak kullanıyor ve aın ana iplik dıındaki bölümünü yiyor. Dolayısıyla a yapımı periyodik olarak tekrarlanıyor.

A yapacak olan bir örümcek önce yüksek bir yere tırmanır ve aın ucunu bulunduu noktaya yapıtırır. Sonra ipek iplik yardımıyla aaı süzülürek ulatıı bir dalla balantı kurar. Ardından o iplik üzerinde gidip gelerek aı kalınlatırır. Daha sonra vücudundan çıkmakta olan ipliin bir ucunu ilk iplie tutturarak kendini bolua bırakır. Bu yolla birkaç gidi gelite aın iskeleti meydana gelir. Bundan sonra iskeletin merkezi çevresinde halkalar yaparak aı tamamlar.

ok eskiden beri örümcek ipeinden birçok alanda yararlanılmı

Antibiyotik özelliine, yaraların iyiletirilmesini ve kanın pıhtılamasını salamak gibi özelliklere sahip olduuna inanılan örümcek aı, Yunanlılar tarafından kanın akıını durdurmak amacıyla kompres olarak da kullanılıyordu. Yeni Ginedeki bazı kabilelerde örümcek ipeinden oluan aın yamurdan korunmak için apka olarak kullanıldıı biliniyor. Endonezyalıların da örümcek ipeinden dokunmu kumaları vardır. Bazı Güney Pasifik Adalarının yerlileri de balık avlarken örümcek aı kullanırmı.

1 Kg İpek İçin 1,3 Milyon rümcek

18. yüzyılda Fransada yaamı Bon de Saint-Hilaire örümcek ipeinden kumaın, çorap ve eldiven dokunmasının mümkün olduunu göstermi, ancak 1 kg ipek elde etmek için 1,3 milyon örümcee gerek duyulması nedeniyle bunun çok da pratik olmadıı görülmü. 1709 yılında Fransız doa bilimci Rene-Antoine Ferchault de Reaumurun örümceklerin ipek üretiminde kullanılmaları konusunda yazdıı bir makale, o zamanki in İmparatoru Kang-he tarafından büyük takdir toplamı ve inceye çevirtilmi. 1860larda, aynı zamanda iç savata cerrah olarak görev yapmı olan Burt G. Wilder, Nephila clavipes cinsi örümcek ve örümcek ipei ile ilgili çalımalarını içeren birçok makale yayımlamı. Hatta örümcek yakalamak için bir mekanizma bile oluturmu, ancak o da Bon de Saint-Hilaire gibi yeteri kadar ipek elde etmek için gerekli örümcek miktarının farkına varınca bu iten vazgeçmi.

retmek Mümkün mü

Saç telinden ince, pamuktan hafif ama aynı zamanda çelikten salam biyobozunur örümcek ipeini çok miktarda ve orijinaline e özellikte üretmenin yolları aratırılıyor. Eer bu mümkün olursa pek çok sanayi dalında ve tıpta kullanılması planlanıyor.

Aslında örümcek ipei elde etmenin olası üç yolu var. Birincisi ipei örümceklerden özütlemek. Ancak bu çok etkili ve pratik bir yöntem deil. ünkü toplanan örümcekler bir arada olduklarında birbirlerini yeme eilimi gösteriyorlar. Bu nedenle bilim adamları kimyasal olarak ya da rekombinant DNA teknolojisini kullanarak örümcek ipei üretmeye çalııyor. rümcek ipei proteinlerinin aminoasit dizilimleri çözülmütür, ancak kimyasal olarak örümcek ipei sentezlemenin zorluu örümcein ipei ürettii anda ipein sıvı olması ve havayla temas eder etmez katı hale dönümesidir. Bu süreci çözmek ve laboratuarda gerçekletirmek henüz tam olarak baarılamadı. rümcek ipeinin yapısında spidroin 1 ve spidroin 2 olmak üzere iki tip protein bulunması ve bu iki protein üzerinde ayrı ayrı çalımak gerekmesi yapılan aratırmalarda karılaılan zorluklardan bir dieri.

retim yapılması henüz söz konusu deil

Rekombinant DNA teknolojisi kullanılarak yapılan aratırmalarda da bazı kısıtlamalar var. rnein rekombinant bakteri ve maya kullanılarak ancak az miktarda üretilebilen ipek proteininin sürekli ve kararlı olması da salanamıyor. Dolayısıyla bu yöntemle endüstri uygulamalarında kullanılabilecek üretim yapılması henüz söz konusu deil. Kanadada bir biyoteknoloji firması örümcek ipei genini keçilere aktararak ipek liflerini bu yolla üretmeye çalımı. Keçiden elde edilen sütteki ipek proteini izole edilerek lif haline getirilmi. Elde edilen ipein gerçek örümcek ipeine benzedii gözlenmi, ancak 1 litre sütten 2-15 gram ipek elde edilmesi henüz istenilen aamaya gelinemediini gösteriyor.

rümcek ipei üretiminden sorumlu genleri bakteriye transfer ederek örümcek ipei proteinlerinin aynısını üretme deneylerini devam ettiren aratırmacılar, proteinlerin ipek ipliklerine dönüümünü saladıktan sonra bu ipliklerin mekanik özelliklerini test edecekler. abalar, proteinlerin dayanıklılıını arttırmak, doal ipek proteini ile yapay olarak üretilen ipek proteinleri arasındaki farkları yok etmek ve bakterilerin üretim hızlarını artırabilmek yönünde.

rümcek ipeine az miktarda metal ekleyerek daha da güçlü ve dayanıklı yapmayı baardılar

Bir tarafta yapay örümcek ipeini endüstriyel kullanım için üretme çabası sürerken dier taraftan da Max Planck Enstitüsü ve Luther niversitesindeki aratırmacılar çelikten daha salam olan örümcek ipeine az miktarda metal ekleyerek daha da güçlü ve dayanıklı yapmayı baardılar. Topladıkları örümcek ipeklerini vakum tankında kuruttuktan sonra önce metal buharına ardından su buharına maruz bıraktılar. Bu ilemi yüz kez tekrarlarken her tekrar arasında bazı ipek fiberlerini mekanik teste tabi tuttular. Dietilçinko, trimetilaliminyum ve titanyum izopropoksit olmak üzere farklı üç metal kullanan aratırmacılar, metallere maruz bırakılmayan ipek fiberlerine göre metale maruz bırakılanların (özellikle de titanyum kullanıldıında) 8 kat daha güçlü hale geldiklerini gözlemlemiler. Böylece metal eklenerek daha da salamlatırılan ipek fiberlerinden cerrahide kullanılabilecek, ileri teknoloji ürünü pek çok tıbbı malzeme ve çok salam tekstil ürünleri de üretilebilecek.

Bu doal ürünün aırtıcı özelliklerinin kaynaı benzersiz moleküler yapısı

Farklı türde örümcekler farklı tiplerde ipek üretebiliyor. Ancak örümcek türleri arasında en güçlü ipein Nephila clavipes ve Araneus diadematus türleri tarafından üretiliyor olması nedeniyle bilim insanlarının aratırmaları bu iki tür ve ipekleri üzerinde younlaıyor. Nephila clavipes, 7 farklı salgı bezinden çok çeitli ipek üretiyor. Draglin ve viscid olarak adlandırılan ipek lifleri aın merkezindeki ipleri oluturmak için kullanılıyor.

Protein Olmasına Ramen Parçalanmıyor

rümcek ipei de dier tüm ipekler gibi uzun aminoasit zincirlerinden meydana gelen proteinlerden oluur. Spidroin 1 ve spidroin 2 olarak adlandırılan proteinler draglin ipek liflerinin yapısında bulunur. Bu iki protein yapısının büyük bölümü glisinden (%42) ve alaninden (%25) oluur, geri kalanı ise tirosin, glutamin, arjinin, serin ve lösin gibi aminoasitler oluturur. Draglin ipek lifleri, 5-10 aminoasit uzunluundaki polialanin dizisindeki alanin aminoasitlerinin, glisince zengin aminoasit dizisi boyunca çok iyi bir ekilde düzenlenmesiyle yarı kristal polimerlerden oluur. Bu alanin aminoasitleri proteinlerin ikincil yapısı olan ve proteine direnç kazandıran beta yaprak konformasyonunu oluturarak kristal bölgeyi meydana getirirler. Beta yaprak konformasyonu hem spidroin1 hem de spidroin 2 proteinlerinin yapısında yer alır.

rümcek ipei protein yapısında olmasına ramen dier proteinler gibi doadaki küf ve bakteriler tarafından parçalanmaz. Bu sürekliliin nedeni örümcek ipeinin yapısındaki pirolidin, potasyum hidrojen fosfat ve potasyum nitrattır. Pirolidin ortamdaki suyu balayarak ipek ipliklerinin kurumasını önler. Potasyum hidroksit fosfat ve potasyum nitrat ise ipek ipliklerinin asidik ve tuzlu olmasını salayarak küf ve bakteri çoalmasını engeller.

Tıp Ve Endüstride Devrim Yaratacak

Bir bilim ve teknoloji firması, örümcek ipeinin kimyasal formülünden yola çıkarak, birçok uygulama alanı olan, salamlıı ve esnekliiyle örümcek ipeinin üstün fiziksel özelliklerine en çok yaklaan, ama onun kalite açısından biraz daha düük bir benzeri olan kevları (yani yapay elyaf) üretmi. Ancak örümcek ipei kevlardan daha salam ve dayanıklı olmasının yanı sıra biyobozunur ve çevre dostu da olduundan, birçok bilim adamı ve teknoloji firması ipek üzerindeki aratırmalarını sürdürüyor.

Henüz bilimsel olarak kanıtlanmı olmasa da aratırmacılar hayvanlar üzerinde yaptıkları çalımalarda örümcek ipeinin normalde vücut içerisine yerletirilen implantların sebep olduu gibi bir reaksiyona sebep olmadıını görmüler. İte bu nedenle örümcek ipeinin doku uyumlu yapay tendon ve baların üretiminde, hassas ameliyatlar için biyobozunur ve alerji yapmayan ameliyat ipliklerinin üretiminde, ilaç salınım sistemlerinde, damar yaralanmalarının tedavisinde ve daha birçok ileri teknoloji ürünü tıbbı malzemenin üretiminde kullanılabilecei düünülüyor.

rümcek ipei, tıpkı insan kası gibi, belli bir oranda hareket edebilme kabiliyetine sahip

Sabahları çie maruz kalan örümcek aının yüzeyi, ipek liflerinin büzümesi ile küçülür ve dolayısıyla aın hasar görmesi önlenmi olur. Bilim adamları örümcek ipeinin bu özelliinden yola çıkarak ıslandıında %50 oranında büzüme özellii olduunu kefettiler ve imdi bu mekanizmayı yapay kas oluturmak için kullanmaya çalııyorlar. Süper büzülme olarak tanımlanan bu özellii ile örümcek ipei, tıpkı insan kası gibi, belli bir oranda hareket edebilme kabiliyetine sahip. Bu çalıma baarıyla sonuçlanırsa ipein robot ve mikroçip teknolojisinde kullanılması da söz konusu olabilir.

Salamlıı ve esneklii ile endüstride de çok ideal bir malzeme

Bir malzemenin salamlıı ve esneklii, endüstriyel alanda kullanım ansı bulması açısından çok önemli. Bu özelliklerinden dolayı, ekonomik açıdan da avantajlı olabilecek miktarda yapay örümcek ipeinin elde edilmesi dört gözle bekleniyor. rnein düük sıcaklıklarda esnekliini koruma özelliine sahip olduu için, farklı sıcaklıklara maruz kalan paraüt kumalarının üretiminde yapay örümcek ipeinin kullanılmasının ideal olacaı düünülüyor. Sürdürülmekte olan bilimsel çalımalar dorultusunda, örümcek ipeinden

süper dayanıklı tekstil ürünleri,
hafif, esnek ve kurun geçirmez zırh,
çelik yelek,
mifer,
paraüt ipi,
gemileri balamak için hafif halat,
lif optik ve elektromekanik kabloları,
uçak ve gemi sanayinin dı yapı malzemelerinin
üretilmesi de planlanıyor.

Yapılan aratırmalar konusunda aratırmacılar ve bilim-teknoloji firmaları arasında bir rekabet olduu düünülüyor. Bu nedenle genellikle bu konuda yapılan çalımalar ve elde edilen sonuçlar çok da fazla paylaılmıyor. Ama çabalar gösteriyor ki, yakın bir gelecekte hayatımızın birçok alanında istenilen miktarda ve özellikte üretilen örümcek ipeini görebileceiz.

Kaynaklar:

Lewis, R., Unraveling the weave of spider silk: one of natures most wondrous chemical structures is being dissected that it can be used in human inventions.

BioScience, cilt 46, s.636-639, 1996.

Berenbaum, May R. Spin control (spider silk) Sciences, cilt 35, s.13-16, 1995.

Graham, D., Synthetic spider silk Technology Review, cilt 97, s.16-18, 1994.

http://www.physorg.com/news62944656.html

http://www.af.mil/news/story.aspid=123088041

http://tr.wikipedia.org/wiki/%C3%96r%C3%BCmcek

http://physicsworld.com/cws/article/news/38803

http://www.mhhe.com/biosci/genbio/life/articles/article1.mhtml

http://news.discovery.com/tech/spider-silk-artificial-muscle.html

http://www.sciencedaily.com/releases/2006/10/061009031730.htm

http://www.accessexcellence.org/WN/SU/spider.php

http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/5172422.stm

http://www.wired.com/wiredscience/2009/09/spider-silk