Biomedya - Biyoteknoloji & Yaşam Bilimleri

Şu anda bilinen 34.000'den fazla örümcek türü vardır ve bunların yaklaşık %50'si avını yakalamak için ağını kullanır. Ayrıca 130'dan fazla farklı örümcek ağ şekli bilinmektedir. En çok bilinen örümcek ağı küre ağlardır [1].

Doğada örümcekler ağlarını avlarını sarmak, yavrularını korumak ve yırtıcı hayvanlardan güvenli bir şekilde kaçmalarını sağlayan bir cankurtaran halatı olarak kullanırlar [1].

Peki örümcekler ağlarını nasıl üretirler? vücutlarında bu amaç için özel yapılar vardır. Örümcek ipeği önce bir sıvı olarak başlar. İpek, ampülat bezinde oluşturulan büyük proteinler olan spidroinlerden oluşur ve burada jel halinde saklanır. Bir örümcek, bu proteinleri saniyenin çok küçük bir bölümünde katı bir life dönüştürür. Çoğu örümcek, her biri tek bir lif oluşturan bu bezlerden çoğuna sahiptir. Bunlar, iplik memesi olarak bilinen bir organdır. Sonrasında bezler, ipek elyafına dönüştüğü bir kanala daralırlar. Su elyaftan uzaklaştırılır ve sonunda ipek elyaflarının çapını düzenleyen ve ipeği döndüren bir tıkaçtan geçerler. İpeğe dönüştürüldüklerinde yapı değişir ve son derece sağlam hale gelir. Bu dönüşüm, kısmen kanal boyunca pH değerlerinde bir düşüşle gerçekleşir. Kanaldaki asidik ortamda proteinler bağlanmaya başlar [2].

Şekil 1: Bir örümceğin iplik memesi elektron mikroskop görüntüsü. İplikler dar tıkaçlardan çıkar ve ipek iplikleri üretilir [2].

Örümcek ipeğinin Genel Özellikleri

Örümcek ipeği, neredeyse tamamen büyük proteinlerden oluşan lifli bir biyomateryaldir. Bu ipekler, -40 ° C ile 200 ° C arasındaki aşırı sıcaklık değişikliklerine dayanabilir. Ayrıca çeliğe benzer gerilme mukavemetine ve ağırlık bazında neredeyse kauçuk benzeri elastikliğe sahiptir. Bu iki özelliği birleştiren ipekler, Naylon veya Kevlar -kurşun geçirmez yeleklerde kullanılan malzeme- gibi sentetik elyafların iki ila üç katı sertlik ortaya çıkarır. Örümcek ipeği ayrıca antimikrobiyal, hipoalerjenik ve tamamen biyolojik olarak parçalanabilir [1].

Örümcek ipeği, glisin veya alanin gibi büyük miktarlarda polar olmayan ve hidrofobik amino asitlere sahiptir. Yaygın hücresel enzimlerle karşılaştırıldığında, ipek proteinleri oldukça anormal bir amino asit bileşimi sergiler. Bunun nedeni, örümcek ipeği proteinlerinin, özellikle geniş çekirdek bölgelerinde yüksek oranda tekrarlayan amino asit dizileri içermesidir [1].

Tekrarlayan diziler tüm örümcek ipeği proteininin %90'ından fazladır ve yaklaşık 10-50 amino asitlik polipeptit uzantılarından oluşur. Bu uzantılar, tek bir protein içinde yüz defadan fazla tekrar edilebilir. Bu nedenle her polipeptit tekrarı, örümcek ipeği ipliklerinin olağanüstü mekanik özellikleri ile farklı işlevsel özelliklere sahip olmasına neden olmaktadır [1].

Proteinlerin tekrarlayıcı olmayan bölgeleri, örümcek ipeği proteinlerinin liflere birleşmesi için çok önemlidir. Bu alanlar moleküller arası disülfür bağları oluşturabilir ve bu nedenle, uygun koşullar altında dimerleri ve multimerleri stabilize edebilir [1].

İpek bezlerden salgılandıktan sonra, ipek proteinleri sulu çözelti içindedir ve önemli ölçüde ikincil veya üçüncül yapıdan yoksundur. Özellikle tekrarlayan diziler, dönen kanaldan geçtikten sonra komşu alanlar ve proteinler arasında zayıf ama çok sayıda molekül içi ve moleküller arası etkileşimlere izin verir. Bu etkileşimler, ikincil, üçüncül ve dördüncül yapının oluşmasıyla sonuçlanır [1].

Şekil 2: Bir küre ağından alınan doğal örümcek ipeğinin elektron mikrograf görüntüsü [1].

İpek sadece örümcekler tarafından üretilmez. Peki bizim örümcekler ipeğiyle ilgilenmemizin nedeni nedir? Örümcek ipeği, daha sert, daha elastik ve daha su geçirmezdir [2]. Böcek ipeği, örümcek ipeğinde bulunmayan büyük miktarda serisin proteini içerir. Böceklerde lifli yapıdan sorumlu olan fibroin proteinleri, örümcek ipeği spidroinlerinin aksine, hafif ve ağır zincir benzerlerinden oluşur. İlginçtir ki, dönme koşullarına bağlı olarak, ipekböceği ipeği ya güçlü ya da elastiktir, oysa örümcek ipeği her iki özelliği de göstermektedir [1]. Bu farklar nedeniyle örümcek ipekleri çok daha geniş bir uygulama alanına sahiptir. Örümcek ipeğinin malzeme kimyagerleri, ipeğe dayalı yeni ultra güçlü lifler geliştirilebilir [3].

Örümcek ipeği molekülleri üretmek için şu ana kadar çeşitli yöntemler kullanılmıştır. Örnek olarak E-coli bakterileri modifiye edilmiş, genetiği değiştirilmiş keçilerin sütlerinde ipek proteinleri üretilmiş, ipek proteinleri üreten ve daha sonra lif haline gelmek için bir ekstrüzyon işleminden geçen bir maya fermantasyon işlemi yapılmıştır. Ancak, şimdiye kadar, araştırmacılardan onu kitle pazarına getirmek için yeterince malzeme üretmeye çalışan hemen hemen herkes başarısız olmuştur [4].

Uygulama Alanları

Örümcek ipeklerinin, son birkaç yıl içinde, bazı sırlarının çözülmesinde çok ilerleme kaydedildi ve Rekombinant örümcek ipeği proteinleri, çeşitli teknik ve biyomedikal uygulamalarda büyük potansiyele sahip birçok farklı morfolojiye ve şekle dönüştürülerek farklı alanlarda araştırmalar yapıldı [5].

Uygulamalar ile ilgili olarak;

• Doğal ipekler in vivo ve in vitro olarak iyi bir biyouyumluluk gösterdiğinden, üretilen ipekler ilaçlar için taşıyıcı olarak veya doku mühendisliğinde yapı iskelesi olarak kullanılabilir [4].
• Rekombinant örümcek ipek proteinleri, doğal ipeklere benzer bir sito-uyumluluğa sahip olduğundan biyomedikal uygulamalarda kullanım için uygundur [5].
• Biyouyumluluğunun yanı sıra rekombinant örümcek ipeği yapıları, pürüzsüz yüzeyi gibi diğer özellikleri de benzerlik gösterdiğinden teknik uygulamalar için uygundur [5].
• Ipek filmler, seyreltilmiş bir örümcek ipeği solüsyonundan yapılabilir [1].
• In vitro örümcek ipeği, oda sıcaklığında birkaç gün potasyum fosfat tamponunda inkübasyon üzerine küçük nanofibriller halinde kendi kendine birleşebilir [1].
• ABD ordusu, kurşungeçirmez yeleklerde kullanılmak üzere modifiye edilmiş ipekböcekleri aracılığıyla üretilen ejderha ipeğini geliştirmiştir [4].

Tüm bu alanlar birlikte ele alındığında, yakın gelecekte örümcek ipeği proteinlerinin yapı-işlev ilişkisinin yeni polimerik malzemelerin mühendisliğine ve tasarlanmasına yardımcı olacağı açıktır.

Kaynaklar:

1. Römer, L., & Scheibel, T. (2008). The elaborate structure of spider silk: structure and function of a natural high performance fiber. Prion, 2(4), 154-161.
2. Biørnstad, Lasse. “How spiders make their silk.” https://sciencenordic.com/forskningno-molecular-biology-spiders/how-spiders-make-their-silk/1405645 (Erişim: 17 Aralık 2020)
3. “Spider Silk.” http://www.chm.bris.ac.uk/motm/spider/page2.htm (Erişim: 17 Aralık 2020)
4. Matchar, Emily. “New Artificial Spider Silk: Stronger Than Steel and 98 Percent Water.” https://www.smithsonianmag.com/innovation/new-artificial-spider-silk-stronger-steel-and-98-percent-water-180964176/ (Erişim: 17 Aralık 2020)
5. Eisoldt, L., Smith, A., & Scheibel, T. (2011). Decoding the secrets of spider silk. Materials Today, 14(3), 80-86.