DOĞADAN BİLİME YENİ BİR İLHAM: ÖRÜMCEK AĞLARI

Son yıllarda büyük ivme kazanan nanobilim sayesinde malzeme bilimi de büyük adımlar atmaya başladı ve akıllı malzemeler de yavaş yavaş eski türdeşlerinin yerini almaya başladı. İşte bu akıllı malzemelerin çok önemli bir kolunu doğadan esinlenilen, biyomimetik dalının da konularından birisi olan yapay malzemeler oluşturuyor. Sineğin kendini her daim temiz tutabilen kanadından köpekbalığının düşük sürtünme katsayısına sahip derisine, kertenkelenin düz duvara tırmanmasını sağlayan ayak dokularından yaprakların yüksek randımanlı bir güneş pili olarak iş gören klorofillerine kadar doğa bize sayısız ilham kaynağı sunuyor ve biz bunların daha yeni yeni farkına varıyoruz. Örümcek ağları da doğada bulunan akıllı malzemelerden sadece birisi, ama bize sunduğu olanaklar —eğer sırlarını çözmeyi başarabilirsek— sayısız.

Hepimiz zaman zaman örümcek ağlarıyla istemedigimiz halde muhattap oluyoruz. Örümcekler zorlanmadan ördükleri o tasarım harikası ağlarıyla biz bulundukları tozlu köşeleri temizleyene kadar hayatlarını sessiz bir şekilde devam ettiriyorlar. Fakat örümcek ağlarının biz onlardan kurtulmaya çalıştıkça nasıl hala o köşelere yapıştıklarını ve çekiştirildikçe de uzamaya devam edip nasıl da bir türlü kopmadıklarını hiç merak ettiniz mi? İşte bu kısa yazıda size örümcek ağlarının yapısını ve bunca zamandır gözümüzün önünde durmasına rağmen malzeme bilimi tarafından yeni yeni keşfedilen özelliklerini anlatmaya çalışacağım.

 

Sade ama bir o kadar etkili bir tasarım

Örümcekler geniş bir takım olmakla birlikte ördükleri ağlar ve bu ağları oluşturan proteinler birbirilerine oldukça benzerdir [2]. Örümcek ağları çok yüksek oranda proteinden oluşurlar. Protein dışında az miktarda şeker, ve yağ (lipid) gibi organik yapıtaşları ve çevresel faktörlere bağlı olarak belli miktarda su da içerirler [3]. Ama örümcek ağlarına mühendisleri kendilerine hayran bıraktıran o kendilerine özgün mekanik özelliklerinin kaynağı ağ tellerinin içinde düzenli bir şekilde dizilmiş proteinleridir.

Bir örümcek, ihtiyacına göre değişik esneklik ve mukavemete sahip ağlar üretebilir [4]. Yapması gereken tek şey vücudundaki farklı ağ bezlerini hareket geçirmektir. Bu ağ bezleri aynı tür proteinleri farklı miktarlarda bulundurduklarından salgılanan örümcek ağları da değişik oranlarda sert protein kristalleri ve yumuşak protein demetleri içerirler [3,5]. Toz tutmuş herhangi bir köşede görebileceğiniz bir örümcek ağını incelerseniz (Resim 1) merkezden dışa doğru gerili ışınsal (radyal) tellerin çevrel (spiral) tellere kıyasla daha az esnek ve daha sert bir doğaya sahip olduğunu görebilirsiniz. Çünkü ağın yapısal sağlamlılığı açısından ışınsal teller daha yüksek oranda sert protein yapıları bulundurur. Diğer taraftan çevrel teller ise (en dış sıradakiler hariç) darbe ve sarsıntılara karşı dayanıklılık sağlayabilmek için çok daha yüksek oranda yumuşak protein demetleri barındırır [5]. Resim 2’de örümcek ağının ışınsal tellerinin moleküler düzeydeki detaylarını görebilirsiniz. Teller sert protein yapıları ve yumuşak protein demetleri barındıran ipçiklerden (fiber) oluşur. İpçiklerin bu iki protein bazlı yapıtaşı birbirlerine karmaşık bir şekilde bağlıdır ve örümcek ağının ağır yük altında bile kopmadan yüksek oranlarda uzamasını sağlarlar.

Göreceli inceliklerinden ötürü örümcek ağları yumuşak bir malzeme olarak aklımızda yer etmiş olabilir. Aslında örümcek ağları günümüzdeki en ileri teknoloji ile üretilmiş yapay elyaflara (fiber) hâlâ kafa tutmaktadır. Daha da fazlası bir çok ağ çeşidi aynı kalınlıktaki çelik bir tel kadar güçlüdür ama bunun üstüne çelikle kıyaslanamayacak bir esnekliğe sahiptir [5]. Öyle ki örümcek ağları kurşun geçirmez yeleklerde kullanılan Kevlar [7] adlı sentetik malzemeden 10 kat fazlaya kadar darbe emebilir [8]. Mühendislik derslerinde meşhur olmuş bir örneği de burada vermek sanırım örümceklerin kişisel başarısını perçinlemeye yetecektir. Basit bir hesapla saatte 1000 km hızla uçan 180 tonluk bir Boeing 747yi durdurabilmek için 1 km uzunluğunda ve sadece 21 cm kalınlığında örümcek ağından yapılma bir halata ihtiyacımız olduğunu bulabiliriz (tabii bu hesap uçağın 300 m içinde duracağını ve içindeki yolcuların 15g kuvveti ile uçaktan fırlayacağı sonucunu da beraberinde getiriyor!) [9]. Örümcek ağlarından halatlar üretebilseydik hangi ağırlıkta yükler taşıyabileceğimizi varın siz düşünün.

 

Peki bilim yolun neresinde?

Peki örümcek ağları nasıl oluyor da yeri geldiğinde hem uzunluklularının 5 katına kadar esneyebilirken hem de bu kadar çok yükü kopmadan taşıyabiliyorlar? Bilim adamları deneysel yöntemlerle örümcek ağlarının ana yapıtaşlarından biri olan sert protein yapılarının kimyasal ve fiziksel özelliklerini elde etmeyi başarmışlar [10,11]. Yalnız diğer ana yapıtaşı olan yumuşak protein demetlerinin fiziksel özellikleri ve onların kristaller ile etkileşimleri üzerine hâlâ kesin bir kanıya varılmış değil [3], çünkü deneysel yöntemler burada kapasitelerinin artık uç noktalarındalar ve işi bu noktada hesaplamalı modellemeler devralıyor.

Birçok araştırma grubu örümcek ağlarını hem moleküler hem de makro düzeyde hesaplamalı modeller ile araştırıyor ve şimdiden birçok bulguya ulaşıldı. Mesela, örümcek ağlarının kopması sert protein yapılarının aşırı yük altında dağılmasına bağlanmışken, ağların yüz milyonlarca yıllık evrimi süresince gerçekten de ideal bir sert/yumuşak yapılı protein oranına ulaştığı moleküler düzeydeki simulasyonlarla da kanıtlandı [6]. Alışık olduğumuz ölçeklere dönecek olursak, örümcek ağlarının o alışılagelmiş geometrik yapısı da usta bir mühendisin elinden çıkmış gibi (Resim 1). Bilim insanları yine hesaplamalı modeller ile ışınsal ve çevrel tellerin birleşiminden ortaya çıkan tasarımın sadece esnek, sağlam ve işlevsel olmadığını, aynı zamanda ağda meydana gelecek tel kopması gibi durumlara karşı da gereken telafiyi gösterecek beceride olduğunu gösterdiler [12]. İşte bu tasarımları sayesinde örümcek ağları biz onları temizlemeye çalışırken kopan tellerine rağmen yapısal bütünlüklerini korumayı başarıyorlar.

Örümcek ağlarının muhteşemliği hakkında bu kadar yazdık ama niye hâlâ mühendislerin çelik halatlar kullandığını merak ediyor olmalısınız. Yabancı bir deyimin dediği gibi her şeyin bir fiyatı vardır. Yukarıdaki durdurulan uçak örneğinde 1 km uzunluğunda ve 21 cm kalınlığında örümcek ağından yapılma bir halattan bahsetmiştik. İşte böyle bir halatı yapabilmemiz için neredeyse 3 milyar örümceğe ihtiyacımız var [9]. Tahmin edersiniz ki kimsenin böyle bir fanteziye harcayacak kaynağı yok. Durum böyle olunca böyle büyük miktarlardaki örümcek ağlarını da başka yollardan üretmek gerekiyor.

Malzeme bilimi ve moleküler biyoloji kulağa çok uzak iki çalışma alanı gibi gelse de yolları aslında biyomimetik alanında sıkça kesişiyor. Yapay örümcek ağı üretiminde en umut vaat edici çözümler yine moleküler biyoloji ve genetiğin yardımıyla ortaya çıkmış. İlk alternatif örümcek ağını ipek böceklerine ürettirmek. İpekböceklerinin ürettikleri ipek ile örümcek ağları arasında yapısal olarak yakın bir akrabalık olduğu zaten biliniyor [13]. İpek örümcek ağına kıyasla biraz daha güçsüz olmasına rağmen gösterdiği mekanik özellikler yine de azımsanamayacak kadar dikkat çekici [14]. Üstelik ipek böcekleri bin yıllardır insanların emrinde. Eğer örümceklerden de ipek böceklerinden elde edebildiğimiz randımanda ağ üretebilseydik şu anda ipekle birlikte örümcek ağından da giysiler dokuyor olurduk (Resim 3). Ne yazık ki örümcekler ipek böcekleri kadar barışçıl değiller ve aynı ortamda türdeşleriyle yan yana durmaktan hazzetmedikleri için seri şekilde ağ üretimi mümkün değil.

Konuya dönecek olursak ipek böceklerinin genetiği ufak oynamalarla örümcek ağı üretilebilecek duruma getirilmiş ve bilim insanları “doğal” yollardan “yapay” ağ üretmeyi başarmışlar [15]. Başka çalışma grupları ve şirketler benzer bir yaklaşımla ama bu sefer bakterileri genetik olarak programlayarak yine örümcek ağı elde etmişler [16,17]. Doğal örümcek ağıyla karşılaştırınca yarı-doğal yollardan elde edilen bu ağlar hâlâ farkedilir derecede daha güçsüz. Yine de ilk aşamada örümceklere bağımlı olmadan bu kadar yüksek randımanla ağ üretebilmek gerçekten büyük bir başarı (Resim 4). Tahmin edileceği üzere hedef artık üretilen ağların kalitesini doğal örümcek ağının seviyesene yükseltebilmek ve üretimdeki verimi daha da yukarı çekebilmek. Eğer talep ve üretim miktarı istenilen seviyelere çekilebilirse kimbilir belki yakın gelecekte çelik halatların yerini sentetik örümcek ağları alabilir.

Kaynaklar

1. http://www.flickr.com/photos/goatfarm5237/6651199259/sizes/z/in/photostream/
2. Y. Liu, A. Sponner, D. Porter, F. Vollrath, Biomacromolecules 9, 116-121 (2008).
3. F. Vollrath, D. P. Knight, Nature 410, 541-548 (2009).
4. http://en.wikipedia.org/wiki/Spider_silk
5. J. M. Gosline, P. A. Guerette, C. S. Ortlepp , K. N. Savage, J Exp Biol 202, 3295-3303 (1999).
6. M. Cetinkaya, S. Xiao, B. Markert, W. Stacklies, F. Graeter, Biophys J 100, 1298-1305 (2011).
7. http://en.wikipedia.org/wiki/Kevlar
8. I. Agnarsson, M. Kuntner, T. A. Blackledge, PLoS ONE, e11234 (2010).
9. http://ednieuw.home.xs4all.nl/Spiders/Info/SilkBoeing.html
10. T. Asakura, M. Okonogi, Y. Nakazawa, K. Yamauchi, J. Am. Chem. Soc. 128, 6231-6238 (2006).
11. D. T. Grubb, L. W. Jelinski, Macromolecules 30, 2860-2867 (1997).
12. Y. Aoyanagi, K. Okumura, Phys. Rev. Lett. 104, 038102 (2010).
13. C. Vepari, D. L. Kaplan, Progress in Polymer Science 32, 991-1007 (2007).
14. D. Porter, F. Vollrath, Advanced Materials 21, 487-492 (2009).
15. F. Teule, Y. Miao, B. Son, Y. Kim, J. J. Hull, M. J. Fraser, R. V. Lewis, D. L. Jarvis, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 109, 923-928 (2012).
16. X. Xia, Z. Qian, C. S. Ki, Y. H. Park, D. L. Kaplan, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107, 14059-14063 (2010).
17. http://www.amsilk.com/produkte/biosteel-spidersilk-fibers.html