Znajdź zawartość

Gąsienice jedwabników, które karmi się liśćmi morwy z dodatkiem fluorescencyjnych barwników, produkują nici o interesujących barwach, np. rażąco różowej. Doktorzy Natalia Tansil i Han Mingyong z Institute of Materials Research and Engineering (IMRE) w Singapurze podkreślają, że metoda jest tania i prosta. Obecnie trwają rozmowy z potencjalnymi partnerami przemysłowymi, dzięki którym w ciągu kilku lat proces powinno się łatwo przeskalować i skomercjalizować. Ponieważ barwnik trafia do rdzenia nici, kolory utrzymują się dłużej niż przy tradycyjnym farbowaniu. Poza tym nie zużywa się tyle wody, a i zanieczyszczenie środowiska jest znacznie mniejsze. By produkt trafił na rynek, trzeba jeszcze rozszerzyć gamę dostępnych kolorów i zadbać o powtarzalność, także w zakresie intensywności barw. Naukowcy widzą dla swojej dietetycznej metody również zastosowania na niwie medycyny. Czemu bowiem nie podawać żerującym gąsienicom Bombyx mori czegoś, co pozwoliłoby uzyskać nici, a następnie opatrunki ze związkami antybakteryjnymi, przeciwzapalnymi czy antykoagulantami? Badacze z Singapuru myślą też o gazach lub bandażach z substancjami działającymi jak czujniki. W przeszłości fluorescencyjne nici wytwarzały jedwabniki zmodyfikowane genetycznie. W 1999 r. BBC opublikowało np. artykuł o dokonaniach zespołu prof. Hajime Moriego z Instytutu Technologii w Kioto, światowej stolicy kimona. Japońskie jedwabniki wytwarzały świecącą zieloną nić, ale nie o kolor tu właściwie chodziło. Naukowcy chcieli ulepszyć właściwości nici. Założyli, że gdyby po wprowadzeniu genu pozwalającego na wzmocnienie oprzędu świecenie znikło, świadczyłoby to o skutecznym podstawieniu jednego genu drugim. Specjaliści z IMRE uzyskali niezmienione strukturalnie różowe, żółte czy pomarańczowe nici, które zaczynały świecić po potraktowaniu promieniami UV. Jedyną różnicą między proponowanym procesem a aktualnie stosowanymi metodami hodowli jest dodawanie barwnika do menu w ostatnich 4 dniach stadium larwalnego. Potem kolorowe kokony mogą już być zbierane i przetwarzane za pomocą zwykłych metod – opowiada rzecznik IMRE Eugene Low Ooi Meng.

Naukowcy odtworzyli oleistą powłokę nanotuneli czułków samca jedwabnika. Wykorzystali ją w syntetycznych nanoporach, czyli otworach wytworzonych w krzemowych chipach, które stosuje się do badania pojedynczych cząsteczek. Osiągnięcie to pozwoli taniej sekwencjonować DNA lub analizować budowę białek, np. wywołujących chorobę Alzheimera. Pracami zespołu, którego artykuł ukazał się właśnie na łamach Nature Nanotechnology, kierował prof. Michael Mayer z Univeristy of Michigan. Inżynierowie podkreślają, że oleista powłoka umożliwia wyłapywanie i transportowanie żądanych cząsteczek przez nanopory (wcześniej łatwo się one zatykały). Co więcej, smar pozwala dostosowywać rozmiary otworów z niemal atomową precyzją. Zyskujemy ulepszone narzędzie do charakteryzowania biocząsteczek. Pozwala ono gromadzić informacje na temat ich rozmiarów, ładunku, kształtu, stężenia i prędkości, z jaką się organizują. To może nam pomóc w zdiagnozowaniu i ustaleniu, co idzie nie tak w chorobach neurodegeneracyjnych, w tym parkinsonizmie, alzheimeryzmie i pląsawicy Huntingtona. Dwuwarstwa lipidowa Amerykanów przypomina wyściółkę czułków samców jedwabników. Dzięki niej wyłapują one cząsteczki feromonów samic i transportują je przez nanotunele w szkielecie zewnętrznym aż do neuronów, które wysyłają sygnał do mózgu. Te feromony są lipofilowe. [...] Ulegają więc przechwyceniu i skoncentrowaniu na powierzchni warstwy lipidowej jedwabnika. Na zasadzie poślizgu feromony są przemieszczane do miejsca, gdzie powinny się znaleźć. Nasza nowa powłoka służy do tego samego celu. Mayerowi szczególnie zależy na badaniu beta-amyloidu. Tworzy on blaszki, które doprowadzają do obumierania neuronów w przebiegu choroby Alzheimera. Naukowiec zamierza przyjrzeć się ich kształtom, rozmiarom i sposobom formowania. Istniejące techniki nie pozwalają dobrze monitorować tego procesu. Podczas eksperymentów naukowcy umieszczają chip z nanoporami pomiędzy dwiema komorami z roztworem soli. Wkrapiają interesujące ich cząsteczki do jednej z nich i przez otwór przepuszczają prąd. Gdy każde białko lub cząsteczka przez niego przejdą, zmienia się rezystancja (oporność). Zakres zaobserwowanych zmian daje pogląd na kształt, wielkość i ładunek elektryczny analizowanych cząstek.

Badacze z Institut Laue-Langevin (ILL) ujawnili zaskakującą właściwość białek wchodzących w skład nici przędzionej przez jedwabniki. Okazuje się, że podczas rozcieńczania stają się one bardziej skoncentrowane (Soft Matter). Akademicy od dawna próbują zrozumieć, jak z nieuprzędzionych białek prekursorowych tworzy się włókno jedwabne. Z kilku powodów jest to jednak trudne zadanie. Po pierwsze, trzeba jakoś rozstrzygnąć problem z pozyskiwaniem wystarczających ilości oryginalnych próbek. Po drugie, istnieje niewiele technik pozwalających na badanie struktury cząsteczek biologicznych o tak dużych rozmiarach. Przeważnie białka są stabilne przy stężeniach ok. 1 mg/ml. W miarę gdy stężenie rośnie, rozpoczyna się agregacja (koagulacja). W przypadku białek prekursorowych jedwabnej nici naukowcy z Lund i Uniwersytetu Oksfordzkiego zaobserwowali niecodzienne zjawisko. Pierwotne ich stężenie w organizmie gąsienicy oscylowało wokół 400 mg/ml. Jak na to, aby białka pozostały stabilnie rozproszone w koloidzie, mamy do czynienia z niezwykle wysokimi stężeniami. Co dziwniejsze, gdy stężenie spadało, białka zaczynały się rozciągać i przepływać, ostatecznie gromadząc się w jednym miejscu. Spodziewaliśmy się czegoś odwrotnego – podkreśla dr Cedric Dicko. W pierwotnym stężeniu białka tworzą helikalną strukturę o kącie skrętu rzędu ok. 90 nm. Podczas rozcieńczania dochodzi do rozkręcenia aż do osiągnięcia rozmiarów 130 nm. Efekt osiągnięty w laboratorium przypominał rozwinięcie zgrabnego kłębka w bezładną plątaninę nici, w obrębie której dochodzi do tworzenia się supłów. Gąsienice potrafią jednak kontrolować proces, dlatego gdy zaczyna się rozplatanie spirali, powstają uporządkowane włókna jedwabne. Naukowcy mają nadzieję, że dzięki zdobytej właśnie wiedzy uda się uzyskać nić o pożądanych właściwościach mechanicznych. Poza tym mają pomysł, jak poradzić sobie z problemem białek z regenerowanej nici jedwabnej. Uzyskiwało się je przez rozłożenie włókien kokonu wysokimi stężeniami soli. Były one jednak mniejsze i miały gorszą jakość od oryginalnych białek prekursorowych. [Jak widać], stężenie wpływa na zachowanie białek, a więc na typ materiału, który można wyprodukować, wyjaśniając różne wyniki poszczególnych grup badawczych. Zespół posłużył się niskokątowym rozpraszaniem neutronowym (ang. small angle neutron scattering, SANS). Wg akademików, był to jedyny sposób na zdobycie danych nt. zachowania tych dużych cząsteczek w roztworze. Jest też inny plus związany z wykorzystaniem neutronów – ponieważ nie mają ładunku, nie powodują obserwowalnych szkód w próbkach biologicznych. Oznacza to, że próbki da się badać wielokrotnie [...] – podsumowuje dr Phil Calow z ILL.

Japońscy naukowcy z Centrum Badawczego Zaawansowanej Nauki i Technologii Uniwersytetu Tokijskiego chcą poznać mózgi owadów, by skonstruować sztuczny mózg, który będzie można programować do specyficznych zadań. Jeśli to się uda na ulicach mogą znaleźć się np. sztuczne muchy szukające laboratoriów produkujących narkotyki czy pszczoły-roboty, które w gruzach będą poszukiwały ofiar katastrof. Japoński zespół pracuje pod kierunkiem profesora Ryohei Kanzaki, który od 30 lat bada mózgi owadów i jest pionierem na polu badań hybryd owadów i robotów. Jego długoterminowym celem jest zrozumienie budowy mózgu człowieka, by można było odtwarzać uszkodzone neurony. Jednak, by to osiągnąć, musi najpierw poznać znacznie prostsze mózgi owadów. "Zakładając, że mózg to puzzle, możemy go skonstruować pod warunkiem, iż będziemy wiedzieli jak każdy z klocków jest zbudowany i gdzie powinien się znaleźć. W przyszłości możliwe będzie odtworzenie mózgu owada za pomocą obwodów elektronicznych. To z kolei da nam możliwość kontrolowania prawdziwego mózgu dzięki modyfikacji jego obwodów" - mówi profesor. Japończycy mają już na swoim koncie pierwsze poważne osiągnięcia. Prowadzili badania nad mózgami jedwabników. Samce tego gatunku z odległości ponad kilometra potrafią wyczuć feromony wydzielane przez samice. Zespół Kanzakiego tak zmienił połączenia pomiędzy neuronami, że mózgi reagowały na światło, a nie na feromony. Przeprowadzono też takie zmiany, wskutek których pojawiła się reakcja na feromony innych gatunków. Podczas jednego z eksperymentów jedwabnik... kierował samochodem. Owad został przymocowany do niewielkiego zdalnie sterowanego samochodu, a jego odnóża do swobodnie obracającej się kulki. Za pomocą feromonów skłaniano zwierzę, by skręcało w prawo lub w lewo. Naukowcy zauważyli, że owad błyskawicznie przystosowuje się do nowych warunków. Gdy kulkę skonfigurowano tak, by sterowanie nią dawało podobne uczucie, jak jazda samochodem z przedziurawioną oponą, owad szybko sobie poradził z nowymi warunkami i nauczył się prawidłowo skręcać. W bardziej zaawansowanym eksperymencie uczeni odcięli jedwabnikowi głowę i umieścili ją z przodu pojazdu. Połączyli mózg owada z układem sterującym pojazdem i stymulowali go feromonami. Mózg potrafił zakręcać w lewo i w prawo w czasie rzeczywistym. Dalsze badania wykazały, że naukowcom udało się jednocześnie uzyskiwać dane z 1200 neuronów. To jeden z najlepszych osiągniętych kiedykolwiek wyników. Profesor Kanzaki zauważa, że ludzie i owady wykazują duże zdolności adaptacyjne. Potrafimy maszerować z prędkością kilku kilometrów na godzinę, ale radzimy sobie też ze sterowaniem samochodem jadącym ponad 100 km/h. Dzieje się tak, gdyż mózg traktuje maszynę jak przedłużenie naszego ciała. Zdaniem Kanzakiego, owady również są zdolne do tego typu adaptacji. Stworzenie robaka-robota, który poruszałby się z prędkością prawdziwego robaka nie jest interesujące. Chcemy stworzyć maszynę, która będzie znacznie potężniejsza niż prawdziwy organizm - mówi profesor.

Do tej pory jedwabniki kojarzyły się raczej z hodowlami wypełnionymi liśćmi morwy i pięknymi tkaninami, chińscy naukowcy wymyślili jednak, że można by je zabierać w wieloletnie podróże w przestrzeń kosmiczną. Nie chodzi tu o zapewnienie sobie towarzystwa, lecz źródła wartościowych białek (Advances in Space Research). Badacze uważają, że już wkrótce astronauci będą musieli pamiętać o wyposażeniu statków w miniekosystemy – fabryki tlenu i pożywienia. W przeszłości wypróbowano już pod tym kątem drób, ryby oraz larwy jeżowców. Niestety, kury potrzebowały wiele cennego miejsca, także na paszę, i wytwarzały masę odchodów, a zwierzęta wodne reagowały jak barometr na wszelkie zmiany właściwości H2O, które oddziaływały na czas składania ikry, wylęgu i na dalszy rozwój. Jak podkreśla Hong Liu z Beihang University w Pekinie, owady rozmnażają się bardzo szybko, nie zajmują dużej powierzchni ani nie potrzebują za wiele wody. Na tym jednak nie koniec – wytwarzane w minimalnych ilościach odchody można by wykorzystać jako nawóz, a poczwarki obfitują w niezbędne aminokwasy. Zawierają ich dwa razy więcej niż wieprzowina i 4-krotnie więcej niż jajka czy mleko. Chińczycy udowadniają, że nawet jedwabna nić, w normalnych warunkach niejadalna, może stać się rezerwuarem składników odżywczych. Po przetworzeniu chemicznym nadaje się do zmieszania z sokiem, cukrem i barwnikiem, a w efekcie powstaje dżem. Założywszy, że zazwyczaj zjada się 3-krotnie więcej białka roślinnego niż zwierzęcego, by zaspokoić swoje potrzeby energetyczne, kosmonauci powinni codziennie zjadać 170 poczwarek i kokonów Bombyx mori.

Pajęcze nici – lżejsze od piór i pięciokrotnie wytrzymalsze od stali – zawsze fascynowały człowieka. Im więcej dowiadywaliśmy się o tych niezwykłych włóknach, tym częściej próbowano znaleźć dla nich praktyczne zastosowania. Niestety, pajęcza natura uniemożliwiała jakąkolwiek hodowlę tych zwierząt dla przędzy: nie dość, że toczyły one walki terytorialne, to jeszcze wzajemnie się pożerały. Jednak dzięki japońskim badaczom z Shinshu University już za kilka lat będzie można kupić pierwsze "pajęcze" produkty. Jak informują naukowcy, udało im się wprowadzić geny pająka Nephila clavata do jajeczek jedwabnika. Powstałe z nich larwy wytworzyły swe kokony z nici, które okazały się znacznie wytrzymalsze i zarazem bardziej miękkie od zwykłego jedwabiu. Sukces naukowców nie jest co prawda zupełny, bowiem uzyskane włókno zawiera jedynie 10% pajęczych białek, ale już można mówić o sporym osiągnięciu. Mocniejsze włókna można bowiem produkować na skalę masową, podobnie jak tradycyjny jedwab. Prowadzący badania Masao Nakagaki twierdzi, że celem jego zespołu jest zwiększenie udziału wzmacniającej domieszki nawet do 50%. Komercyjnym wykorzystaniem nowej przędzy zajmuje się już japońska firma Okamoto z miasta Nara. Według niej, ultracienkie i bardzo wytrzymałe skarpetki można będzie kupić około 2010 roku. Rzecz jasna, to nie jedyne zastosowania tego materiału. Niemal oczywiste jest użycie tkaniny do budowy kamizelek kuloodpornych (obecnie wykorzystywany jest w nich znacznie słabszy kevlar), wspomina się również o niciach chirurgicznych, strunach do rakiet tenisowych, oraz o sieciach rybackich, które zamiast zaśmiecania wybrzeży, będą ulegały biodegradacji.

Ekolog Walter Leal i genetyk Deborah Kimbrell z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis postanowili wspólnie oszukać muszki owocowe, przekonując je zapachowo, że jedwabniki morwowe są ich potencjalnymi partnerami seksualnymi. Zmienione genetycznie muszki reagowały na zapach samic jedwabników. Praktyczne implikacje takiego odkrycia są, wbrew pozorom, bardzo istotne. Metody, które przyciągają lub odstraszają owady, wykorzystuje się przecież w rolnictwie (m.in. przy opryskach pestycydami) czy entomologii medycznej. Wyniki omawianego studium mogą pomóc w zaprojektowaniu związków chemicznych skuteczniej przyciągających owady, a jednocześnie lepiej blokujących ich system komunikowania się. Jest to możliwe, ponieważ owady porozumiewają się i odbierają zapachy za pomocą czułków. Wiele owadów, w tym jedwabniki morwowe, wydziela feromony, stanowiące ważną informację dla partnera seksualnego. Jedwabniki polegają na powonieniu jak na żadnym innym zmyśle — twierdzi Leal, profesor i dyrektor Wydziału Entomologii. Podążają za zapachem, zanim nie odnajdą samicy. Uzyskaliśmy bardzo wyraźną reakcję. Zapisy wskaźników elektrofizjologicznych oraz testy polegające na bezpośredniej stymulacji ujawniły, że transgeniczne muszki owocowe bez wątpienia reagowały na feromony jedwabników. Przed przepoczwarzeniem się gąsienice motyla formują kokony. Plotą je z pojedynczej nici, której długość dochodzi niekiedy nawet do 1500 m. W zależności od gatunku jedwabnika, nić ma różne kolory. Może być biała, niebieskawa albo żółta. To dla niej Chińczycy zaczęli hodować te nocne motyle już ok. 2600 roku przed naszą erą. Muszka owocowa (Drosophila melanogaster) jest od dawna modelowym owadem genetyki. Szybko się rozmnaża i ma stosunkowo niewielki genom. Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego dostali zmutowane muszki od Johna Carlsona, biologa molekularnego z Yale University. Muszki miały tzw. pusty, czyli pozbawiony receptorów, neuron. Wyposażono go w receptory feromonów samicy jedwabnika morwowego. Następnie testowano, czy i jak odbiera docierające do niego sygnały zapachowe. Wyniki badań opublikowano w najnowszym wydaniu magazynu Proceedings of the National Academy of Sciences. Nowy projekt był pokłosiem wcześniejszych badań Leala na komarach. Opracował on lepkie mikstury, które wabiły samice w pułapkę. Następnie komarzyce testowano pod kątem obecności wirusa zapalenia mózgu zachodniego Nilu. Ponieważ komary nie stosują charakterystycznych dla swojego gatunku feromonów, Leal zdecydował się na badanie pary muszka owocowa-jedwabnik morwowy. Wśród rodzimych ciem feromony są dla samców wyczuwalne nawet z odległości wielu kilometrów. Jednocześnie z odkryciem pierwszego feromonu u jedwabnika morwowego (Bombyx mori) stało się jasne, że owady polegają na niesionych wraz z nimi informacjach nie tylko po to, by rozpoznać potencjalnego partnera seksualnego, ale także zidentyfikować ofiarę czy określone cechy środowiska. Posługując się zlokalizowanymi na czułkach 17 tys. receptorów, jedwabnik morwowy wyczuwa obecność bombykolu, ale także i drugiego związku, zwanego bombykalem (oba są wydzielane przez gruczoły samic). Leal wyjaśnia, że receptory składają się z dwóch neuronów węchowych. Jeden jest wyspecjalizowany w wykrywaniu bombykolu, drugi: bombykalu. Molekularne podstawy wrażliwości i wybiórczości owadziego „nosa” nie są jeszcze znane. W dodatku, w odróżnieniu od muszek owocowych, jedwabniki morwowe nie są podatne na manipulacje genetyczne. Feromony są stosowane nie tylko przez zwierzęta, ale i przez kilkadziesiąt gatunków roślin, a także przez bakterie oraz drożdże.