5 دقیقه
مقدمه و پیش‌زمینه علمی
کیتونها، نرم‌تنان دریایی کوچک و تختی هستند که معمولاً در سواحل سنگی به چشم نمی‌آیند. اگر یکی از آنها را برگردانید، با ویژگی شگفت‌انگیزی روبرو می‌شوید: صف‌هایی از دندانهای بسیار سخت و صیقلی که کیتونها برای خراشیدن جلبک‌ها و بقایا از سطح سنگ‌ها از آن استفاده می‌کنند. در تحقیقی که ۷ اوت در مجله Science منتشر شد، سازوکار دندانهای کیتون بررسی شده تا روشن شود چگونه این دندان‌ها به خصوصیاتی مکانیکی دست می‌یابند که در برخی موارد حتی از مواد مقاوم و برش‌خورنده مهندسی‌شده نیز فراتر می‌روند. این پژوهش به پیوند بین زیست‌شناسی مولکولی، شیمی مواد معدنی و ساختارهای نانومقیاس می‌پردازد تا فرآیند زیستی‌ای را که برای علم مواد و تولید پایدار اهمیت فراوانی دارد، توضیح دهد.
سازوکار: پروتئین‌ها، مگنتیت و انتقال کنترلشده آهن
دانشمندان ردپای پروتئینی اختصاصی کیتون به نام RTMP1 را در بافت‌های تشکیل‌دهنده دندان این جانور دنبال کردند و نشان دادند که این پروتئین چگونه فرآیند رسوب‌دهی آهن را هدایت میکند. پروتئین RTMP1 از کانال‌های بسیار ریزی عبور میکند که از بافت نرم به سطح هر دندان می‌رسند و در آنجا با اجزای مولکولی پیوند می‌خورد که قالب تشکیل مگنتیت (Fe3O4)، عامل اصلی سختی دندان‌ها، را فراهم می‌آورند. همزمان، شواهد نشان می‌دهد RTMP1 قادر است آهن ذخیرهشده در فریتین، پروتئین ذخیره‌ای سلولی، را به شکل تنظیم‌شده آزاد کند، دقیقاً در زمان و مکان مورد نیاز برای تشکیل مگنتیت. تنظیم زمانی و مکانی این فرآیند—معدنی‌شدن زیستی در دمای محیط و با دقت نانومقیاس—موجب پیدایش ردیف‌هایی از دندانهای فوق‌العاده سخت میشود که به طور منظم نیز تجدید می‌گردند تا در اثر سایش از بین نروند.
توضیح اصطلاحات کلیدی
- معدنی‌شدن زیستی: فرآیندی که در آن جانداران، ساختارهای معدنی را تحت کنترل زیستی می‌سازند.
- مگنتیت: یکی از انواع اکسید آهن (Fe3O4) با خاصیت مغناطیسی و سختی بالا در فرم‌های نانوساختاری.
- فریتین: کمپلکسی پروتئینی که آهن را درون سلول ذخیره و به صورت تنظیم‌شده آزاد میکند.
روش‌ها و نمونه‌برداری میدانی
گروه تحقیقاتی، با به‌کارگیری فناوری‌های تصویربرداری مواد (میکروسکوپی و طیف‌نگاری با وضوح بالا) و زیست‌شناسی مولکولی، مسیر حرکت و عملکرد RTMP1 را به دقت بررسی کردند. نمونه‌های مورد استفاده از گونه‌های بزرگ‌تر کیتون، در سواحل شمال‌غربی ایالات متحده و سواحل هوکایدو در ژاپن جمع‌آوری شدند. تلفیق تحلیل ساختاری با آزمایش‌های بیوشیمیایی به پژوهشگران این امکان را داد تا روند انتقال پروتئین، آزادسازی آهن و قالب‌گیری معدنی منجر به تشکیل دندان را بازسازی کنند. این رویکرد چندرشته‌ای سبب شد که از صرف مشاهده خواص مواد فراتر روند و برنامه مونتاژ طبیعی این ساختارها را آشکار کنند.
پیامدها برای علم مواد و فناوری
دیوید کیسایلوس، از نویسندگان مقاله، بر قابلیت بالقوه انتقال این دانش به صنعت تأکید کرده و می‌گوید: «می‌توانیم از این طرح‌ها و فرآیندهای زیستی مطالب زیادی بیاموزیم.» روند طبیعی، سختی و مقاومت به سایش بالایی را در دمای عادی و بدون استفاده از تکنیک‌های پرانرژی و مواد مضر شیمیایی ایجاد میکند. الگوبرداری از راهبرد کیتون میتواند به ساخت مواد مهندسی شده با کنترل فضایی و زمانی، مانند الکترودهای باتری، کاتالیست‌های سلول سوختی، نیمه‌رساناها و پوششهای مقاوم به خوردگی کمک کند. همچنین کنترل زیستی دقیق بر معماری معدنی در مقیاس نانو راهکارهای جدیدی برای تولید افزایشی (چاپ سه‌بعدی) و ساخت مواد دوستدار محیط زیست پیشنهاد میکند که خروجی‌های مضر و مصرف انرژی را نسبت به فرایندهای صنعتی رایج کاهش می‌دهد.
دیدگاه کارشناسان و مسیرهای آینده پژوهش
کشف پروتئین RTMP1 به عنوان مولفه‌ای منحصر به فرد برای پیوند دادن آهن و الگودهی مگنتیت، افق‌های پژوهشی تازه‌ای را گشوده است؛ از شناسایی کوتاه‌ترین توالی‌های پپتیدی موثر در هستهگذاری مگنتیت گرفته تا ساخت سامانههای تحویل کنترلشده آهن در داربست‌های سنتزی و طراحی مخازن فریتینی برای آزادسازی تنظیم‌پذیر. اگر پژوهشگران قادر به بازآفرینی مدیریت جریان آهن و پروتئین در کیتونها شوند، شاید ساخت مواد پیچیده و سلسله‌مراتبی با خواص دلخواه، بدون نیاز به شرایط دمایی شدید، امکان‌پذیر گردد.
جمع‌بندی
دندانهای کیتون، فراتر از یک پدیده زیستی جالب توجه هستند؛ آنها الگویی زنده از تولید نانومقیاس و در دمای محیط هستند که به عملکرد مکانیکی استثنایی دست می‌یابد. مطالعه اخیر، با معرفی نقش‌آفرینان مولکولی (RTMP1، فریتین) و مراحل ساختاری لازم برای تولید دندانهای تقویت‌شده با مگنتیت، یک نقشه راه عملی برای پژوهشهای الهام‌گرفته از طبیعت در حوزه مواد ارائه می‌دهد. پیشرفت‌های مبتنی بر این اصول میتواند مسیر تولید مواد سخت و مقاوم به سایش را برای صنایع برش، ایمپلنتهای پزشکی، ابزارهای انرژی و فراتر از آن، به سمت رویکردهای پایدارتر هدایت کند.
منبع: science
.avif)
نظرات