Un material hi-tech care ar putea salva milioane de vieţi: mătasea naturală

Mătasea este fibra produsă de larvele unor fluturi (de diferite specii), larve numite popular viermi de de mătase, din care aceste fiinţe îşi ţes coconul în care se va petrece trasformarea larvei în pupă şi apoi în adult. E un miracol al naturii această transformare, extraordinar de complexă, în care corpul larvei se restructurează radical, iar celulele  se „reasamblează” într-o formă nouă, cu totul deosebită de cea veche.

Nu la toate speciile de fluturi larvele ţes un cocon în care să aibă loc această uimitoare prefacere şi nu la toate cele care ţes coconi fibra poate fi folosită de către om în scopuri practice, dar există un mic număr de specii pe care omul le cunoaşte de multă vreme, specii de la care coconii pot fi obţinuţi şi utilizaţi cu uşurinţă, iar fibra de mătase are calităţi dintre cele mai interesante din punctul de vedere al oamenilor. Pe unele dintre aceste specii, omul le-a considerat aşa de utili, încât a început să le crească în propria gospodărie, pentru a controla producţia de mătase. Iar dintre aceste specii, cea mai bine cunoscută şi cea mai răspândită în crescătorii este fluturele de mătase al dudului – Bombyx mori. Această specie dă mătasea cea mai fină, iar într-o vreme în care calităţile estetice erau pe primul plan, frumuseţea ţesăturilor obţinute din mătasea produsă de viermii de mătase hrăniţi cu frunze de dud o aşeza în fruntea tuturor tipurilor de mătase. Crescută de mii de ani, această specie de insectă a devenit dependentă de om, n-ar mai putea supravieţui în sălbăticie, lipsită de condiţiile pe care i le oferă omul. Pe cât de productivi, pe atât de sensibili, viermii de mătase ai dudului au nevoie de îngrijiri constante pentru a supravieţui şi a ne da, în schimb, preţioasa lor mătase.

• Mătase este numită şi fibra produsă de păianjeni, cea din care îţi ţes plasele. Un material cu proprietăţi mecanice excepţionale, mătasea de păianjen este şi ea studiată de decenii, în speranţa descifrării secretelor care ar putea duce la re-crearea în laborator a unei fibre artificiale cu proprietăţi similare. Dar, în acest articol, ne vom concentra asupra celei mai cunoscute dintre mătăsuri, cea mai intens investigată de oamenii de ştiinţă, mătasea produsă de omizile fluturelui Bombyx mori.

Mătasea produsă de aceste larve este un material uimitor. Delicată şi, în acelaşi timp durabilă şi rezistentă, fibra de mătase îşi datorează calităţile structurii sale spaţiale. Firul produs de viermele de mătase este alcătuit, de fapt, din două fire, produse de cele două glande sericigene ale omizii. În compoziţia lui intră două proteine: fibroina – care formează „miezul” fibrei – şi sericina, care înconjoară fibroina. Moleculele de proteine sunt alcătuite din aminoacizi (aceasta constituie structura primară), cu o dispunere spaţială specifică (structura secundară). În cazul mătăsii, lanţurile de aminoacizi sunt unite între ele prin legături de hidrogen, într-o configuraţie numită structură beta-pliată. Proprietăţile mecanice ale mătăsii naturale sunt date tocmai de această structură secundară specială.

După mii de ani în care excepţionalele ei proprietăţi au fost apreciate aproape exclusiv în contextul utilizării ei în industria textilă, mătasea a fost remarcată, în ultimii ani, de către cercetătorii din diverse domenii ale ştiinţei şi tehnologiei, care au studiat-o şi i-au găsit numeroase întrebuinţări în domenii de vârf ale ştiinţei şi tehnologiei.

Optică, electronică, genetică

La universitatea Tufts din SUA, bunăoară, doi specialişti în inginerie biomedicală, Fiorenzo Omenetto şi David Kaplan, îşi concentrează de câţiva ani studile asupra mătăsii şi utilizărilor ei în domenii de graniţă, precum cel aflat la confluenţa dintre medicină şi inginerie.

Într-un articol publicat recent în Science, cei doi afirmă că mătasea ar putea avea în viitor întrebuinţări noi şi surprinzătoare: fibrele, peliculele, gelurile şi materialele poroase obţinute din mătase vor contribui la progresul în domenii ca fotonica şi optica, nanotehnologia, electronica, fabricarea adezivilor, microdinamica fluidelor… 

De exemplu, ei au creat recent un dispozitiv optic capabil să difracte lumina, făcut din mătase pură. Dizolvând mătasea într-o soluţie specială şi turnând-o într-o formă cu un model în relief la scară nanometrică, se obţine, după uscarea şi cristalizarea soluţiei, o peliculă cu o nanostructură aparte pe suprafaţă, reprezentând o componentă optică atât de subţire încât poate fi rulată – un pas important spre creararea unor dispozitive optice flexibile, uşoare şi rezistente. Cu ajutorul acestor materaile cu suprafaţa nanostructurată – denumite metamateriale – pot fi manipulate lumina şi alte radiaţii electromagnetice în moduri noi, inexistente în natură.

Datorită faptului că mătasea naturală este biocompatibilă, putând fi introdusă în organismul uman fără a fi respinsă de acesta, ei întrevăd posibilitatea folosirii unor materiale pe bază de mătase pentru tot felul de aplicaţii interesante: 

• obţinerea de oase şi ligamente pentru repararea unor leziuni ale scheletului
• fabricarea unor senzori comestibili care, ataşaţi alimentelor, să avertizeze consumatorii asupra pericolului unei eventuale contaminări cu bacterii
• crearea unor dispozitive optice care vor putea fi implantate în corp, în vederea diagnosticării şi tratării unor maladii.

Netoxică şi degradabilă, mătasea ar putea fi aşadar un material de excepţie pentru crearea unor dispozitive optice sau electronice ce pot fi integrate cu succes în organismele vii. Iar pentru că obţinerea unor astfel de dispozitive din mătase – spre deosebire de fabricarea lor din plastic sau sticlă – se face la temperaturi obişnuite şi implică procese pe bază de apă, aceste piese ar avea şi un impact ambiental scăzut.

Cei doi cercetători recunosc că, deocamdată, replicarea în laborator a structurii mătăsii este foarte dicilă. Fibra de mătase rămâne o creaţie de vârf a naturii, iar sinteza ei în laborator ei implică chimia, biologia moleculară şi biofizica la un nivel la care tehnologia umană încă este mult în urma performanţelor atinse de viermele de mătase prin evoluţie. Nimeni nu a reuşit până acum să obţină pe cale artificială, în laborator, o fibră de mătase cu calităţi identice celor ale fibrei „toarse” de omida aceea alburie, cu înfăţişare atât de umilă. 

Aşa că, până una-alta, se foloseşte tot mătasea naturală, oamenii de ştiinţă concentrându-se asupra unor metode de a procesa acest produs astfel încât să obţină din el o varietate de materiale cu utilizări dintre cele mai diverse. Din fericire, viermii de mătase sunt relativ uşor de crescut, astfel încât mătasea produsă de ei este disponibilă în cantităţi mari. (Nu acelaşi lucru se poate spune despre păianjeni, însă; aceştia sunt carnivori, ba chiar canibali – adică se mănâncă între ei – motiv pentru care nu pot fi crescuţi la grămadă, ca viermii de mătase, pentru a obţine o producţie mare şi constantă de fibră.) 

• Un domeniu aparte al studiilor asupra mătăsii îl constituie modificarea genetică a unor organisme, astfel încât acestea să producă mătase. Genele implicate în procesul de producere a mătăsii, extrase de la viermele de mătase şi de la păianjeni, au fost implantate în genomul altor vieţuitoare – bacteria E. coli, ciuperci, plante şi chiar animale – în speranţa de a obţine cantităţi mari din aceste materiale. Unele dintre aceste încercări au reuşit doar parţial, în sensul că se poate obţine proteina care intră în alcătuirea fibrei, dar nu şi structura secundară, modul în care sunt aranjate moleculele de proteine în fibră pentru a-i conferi acesteia excepţionalele ei însuşiri.

Medicamente într-un înveliş de mătase

La Institutul de Tehnologie din Georgia şi, ulterior, la Universitatea din Alabama, cercetătoarea Eugenia Kharlampieva a întreprins de asemenea cercetări legate de utilizarea mătăsii în medicină. Depunând nanoparticule de argint pe fibra de mătase, cercetătoarea urmăreşte sporirea rezistenţei acesteia, însuşire necesară pentru utilizarea ei în anumite aplicaţii. Rezultă astfel un material nanocompozit multistratificat, flexibil, dar mai rezistent din punct de vedere mecanic. Pelicula astfel obţinută poate fi folosită pentru a fabrica din ea micro-capsule care să înglobeze o cantitate mică de medicament; asemenea capsule ar putea fi la fel de mici ca şi globulele sângelui şi ar elibera treptat medicamentul conţinut direct în fluxul sangvin.

O altă aplicaţie recentă a proprietăţilor proteinei din mătase va permite păstrarea medicamentelor şi a vaccinurilor în medii calde, fără a se altera. Conservarea acestor produse în timpul transportului şi depozitării lor, mai ales în ţările cu climă caldă, este o problemă dificilă, deoarece multe (mai ales vaccinurile) sunt sensibile la căldură. În cursul transportului, ele trebuie mutate dintr-un frigider în altul şi trebuie, de asemenea, păstrate la rece în timpul depozitării. Dar, în multe dintre ţările sărace, accesul la un frigider şi la energia electrică necesară nu este întotdeauna la îndemână. Din aceste cauze, Organizaţia Mondială a Sănătăţii estimează că aproape jumătate dintre vaccinurile produse se strică şi nu mai pot fi folosite – o pierdere uriaşă, nu numai economic, ci şi din perspectivă umanitară, având în vedere câ de mulţi omani au nevoie de acele vaccinuri şi câte vieţi ar putea fi salvate cu ajutorul lor.

Aceiaşi doi vrăjitori ai mătăsii, Fiorenzo Omenetto şi David Kaplan, au pus la punct o metodă de conservare a vaccinurilor, care le va prelungi considerabil durata de valabilitate, ferindu-le de acţiunea distructivă a căldurii. Ei au găsit o metodă de a „împacheta” vaccinurile sensibile în ambalaje realizate dintr-o proteină extrasă din mătase, izolându-le astfel de mediul ambiant prea cald. 

Au pornit de la coconi de vieme de mătase, pe care i-au fiert într-o soluţie de carbonat de sodiu, procedeu prin care se separă fibroina de sericină. Au izolat apoi fibroina, pe care au tratat-o cu sare, au amestecat-o cu substanţa care urma să fie conservată (vaccinul sau medicament) şi au întins amestecul într-un strat subţire, pe care l-au liofilizat (deshidratat la temperaturi sub 0).

Rezultatul a fost o peliculă ce conţinea o matrice de fibroină plină de mici „buzunare” – cu diametrul de doar câteva sute de nanometri – în care se afla medicamentul/vaccinul. Pentru a putea fi administrat în injecţii, e necesară doar dizolvarea lui în apă.

Ambalarea produselor medicamentoase sensibile în acest mod le conservă cu succes, deoarece elimină aproape complet umiditatea şi imobilizează moleculele substanţei, împiedicându-le să-şi schimbe structura spaţială şi să-şi piardă asfel proprietăţile. 

Inventatorii au testat eficienţa procedeului pe vaccinul MMR (împotriva pojarului, a oreionului şi a rubeolei). Conservat în acest fel, vaccinul îşi păstrează puterea de acţiune în proporţie de 85% după 6 luni, chiar dacă temperatura ambiantă atinge 45 grade Celsius. Rezultate asemănătoare au fost obţinute cu antibiotice precum tetraciclina şi penicilina.

Procedeul urmează să fie aplicat comercial de o companie numită Vaxess Technologies, înfiinţată de studenţi de la Universitatea Harvard şi care a câştigat recent o competiţie în urma căreia va primi 70.000 USD, pentru a finanţa reţeaua de comercializare a acestei noi tehnologii.

Mătasea are, aşadar, perspective frumoase, chiar şi în „era plasticului”. Chiar dacă, în industria textilă, a fost oarecum scoasă din joc de apariţia fibrelor sintetice, şi-a găsit un nou şi vast teren de aplicare în cercetare, în variate domenii: optică, electronică, medicină… Un fir neîntrerupt leagă prin timp vechea îndeletnicire rurală a creşterii viermilor de mătase, industria textilă a ţesăturilor somptuoase şi laboratoarele moderne de cercetări avansate, unde se studiază la microscop viitorul mătăsii.