חומר הדבקה ביולוגי חדשני

בדומה לתולעי-משי, פרפרים ועכבישים, זחלי החרק הקרוי caddisfly מייצרים חוטי-משי, אך הם עושים זאת מתחת למים, ולא ביבשה. כעת, חוקרים מאוניברסיטת יוטה גילו מדוע חוטי המשי שלהם דביקים בסביבה מימית, וכיצד מידע זה עשוי להיות בעל ערך לפיתוחו העתידי של נייר-דבק לניתוחים

בדומה לתולעי-משי, פרפרים ועכבישים, זחלי החרק הקרוי caddisfly מייצרים חוטי-משי, אך הם עושים זאת מתחת למים, ולא ביבשה. כעת, חוקרים מאוניברסיטת יוטה גילו מדוע חוטי המשי שלהם דביקים בסביבה מימית, וכיצד מידע זה עשוי להיות בעל ערך לפיתוחו העתידי של נייר-דבק לניתוחים.

“חוטי משי מחרקים אלו עשויים להיות שימושיים ביום מן הימים כביו-דבק רפואי עבור הדבקה של רקמות לחות,” אומר Russell Stewart, פרופסור לביו-הנדסה והכותב הראשי של המאמר המפרט את תכונותיהם הכימיות והמבניות של החוטים.

“אני מדמה את זה כעין אגדים דביקים (פלסטרים) רטובים שיוכלו לשמש בניתוחים – כמו להשתמש בפיסת רצועה לאיחוי חתכים במקום תפרים,” מוסיף החוקר. “הדבקת עצמים יחדיו מתחת למים אינה משימה קלה. ניסיתים אי-פעם להדביק פלסטר על גופכם תחת זרם מי-המקלחת? חרק זה מצליח לעשות זאת כבר קרוב למאתיים מיליוני שנים.” ממצאי מחקר זה יפורסמו בקרוב בכתב-העת המדעי Biomacromolecules.

ישנם אלפי זנים של חרק זה ברחבי-העולם והם חלק מהסדרה הקרויה שעירי-כנף (Trichoptera) הקרובה לסדרת הפרפראים (Lepidoptera), בה נכללים גם עשים ופרפרים המייצרים חוטי-משי יבשים. מאחר וחרקים אלו משמשים כמזון לדגי טרוטה (פורל, או שמך בעברית), דייגים מנוסים משתמשים בהם כפיתיונות לדגים.

מינים אחדים עוברים את שלבי הגלגול מתחת למים, ובונים מסביב לעצמם מעין קופסית הגנה בצורת גליל המורכבת מסיבי-משי דביקים וגרגירי אבן או חול. מינים אחרים משתמשים בסיבי-משי, פיסות עץ קטנות ופיסות עלים.

בכל אחד מהזחלים, הראש וארבע הרגליים מבצבצים מחוץ לקופסית זו. לרוב, צורתה של הקופסית הינה כעין חרוט, מאחר והיא גדלה עם התפתחותו של הזחל המתבגר בתוכה. בסופו של דבר הזחלים מתגלמים ואוטמים את הקופסית בעודם מתפתחים לכדי הצורה הבוגרת, אז הם בוקעים ממנה החוצה.

חרקים תת-מימיים אלו, פרפרים יבשתיים וכן סוגי עש שונים התפצלו מאבותיהם מייצרי-המשי הקדמוניים שלהם לפני כמאתיים מיליוני שנים. חרקים מסוג זה מצויים ברחבי-העולם במאגרי מים המתפרסים החל מאלו הזורמים בחוזקה וכלה בביצות עומדות. “יכולת אכלוסם המצליח של חרקים אלו במגוון סוגים של נישות מימיות קשורה קשר הדוק לשימוש המקורי שהם עושים בחוטי-משי תת-מימיים לבניית מבנים מורכבים לשם הגנה ולכידת מזון,” מפרט המחקר החדש.

חרקים מסוג Caddisflies שייכים לתת-קבוצה בשם Brachycentrus echo, שבה החרקים מתעטפים בקופסית וסוחבים אותה עימם בזמן שהם מחפשים מזון. חלק מחרקים אלו בונים נישת מפלט נייחת להגנה בצורת כיפה הדבוקה לסלע תת-מימי, שבה קיימת רשת סיבי-משי לשם לכידת מזון נישא במים.

צוות המחקר בחן חומרי-הדבקה טבעיים, ביניהם דבק הנוצר במי האוקיינוסים בזמנים שבין גאות לשפל ע”י תולעת ארמון-החול (sandcastle worm). בחומר זה טמונה היכולת לשמש כדבק לאיחוי שברים בעצמות קטנות. החוקר הראשי החל להתעניין בסיבי-המשי הדביקים של משפחת חרקים זו לאחר שחוקר אחר הראה לו מספר קופסיות זחלים בצורת גלילים.

“הבטנו לתוככי הקופסית באמצעות מיקרוסקופ וזיהינו את סיבי-המשי המתוחים בין גרגירי האבן והבנו שהדבר מרתק באמת,” הוא אומר. “כאשר חזרתי הביתה נעלתי את מגפי הדייג שלי ושוטטתי בין נחלי ההרים בחיפוש אחר זחלי-חרקים אלו.” “קיים מגוון מרתק של חרקים אלו וחומרי-ההדבקה שלהם מסוגלים לקשור שלל משטחים תת-מימיים: רכים ונוקשים, אורגניים ואי-אורגניים. אם נוכל להעתיק את הדבק הזה הוא יהיה שימושי למגוון נרחב של סוגי רקמות.”

זחלי החרקים הללו פולטים סיבי-משי מתוך איבר המכונה spinneret. שתי בלוטות משי משתלבות בו יחדיו כך שהדבק היוצא נראה כעין רצועה כפולה בעלת תפר במרכזה. הזחל טווה רשת דביקה זו הלוך ושוב מסביב לגרגירי חול, מקלות או פיסות עלים לקבלת הגליל המוגמר.

החוקרים גידלו זחלים אלו באקוואריום והחליפו את הגרגירים הטבעיים בחרוזי זכוכית. הזחלים הרחיבו את הקופסיות שלהם בעזרת החרוזים, שהודבקו יחדיו ע”י סיבי-משי רטובים. החוקרים ניתקו מספר חרוזים בכדי לקבל דגימות נקיות של משי. הם בחנו את המשי באמצעות מספר שיטות, בכללן מיקרוסקופיה אלקטרונית סורקת, שהראתה כיצד סיבי המשי קושרים יחדיו את חרוזי הזכוכית מתוך הקופסית המגנה. “זה כמו להשתמש בנייר-דבק שקוף המצוי בתוך קופסא לשם חיזוק וייצוב צורתה,” מסביר החוקר. “יותר מכל דבר אחר זה מזכיר נייר-הדבקה – כזה הפועל בתוך המים.” החוקרים מתכוונים בשלב הבא למדוד את החוזק של סיבי-משי אלו. “חוטים נפרדים אינם מאוד חזקים לכשעצמם, אולם שזירת עשרות מהם יחדיו הופכת אותם לכאלה. אם נוכל לשכפל את ההרכב הזה וליצור ממנו חומר-הדבקה, חוזק האחיזה יגבר משמעותית.”

המחקר הנוכחי כלל בדיקה מפורטת של כימית ומבנה סיבי-המשי, והראה את הדמיון לתוצר של תולעי-משי המשמש בתעשיית הבדים ואפילו לקורי-עכביש, אך יחד עם התאמה המאפשרת להם לתפקד מתחת למים. החוקר אומר כי כוונתו הייתה לאפיין את סיבי-המשי הדביקים “במטרה לנסות ולשכפלם במעבדה” כך שהגרסה הסינתטית שלהם תוכל לשמש כדבק לניתוחים. הוא גילה כי המשי של החרקים הללו הינו סיב המורכב מחלבונים גדולים הקרויים פיברואין (fibroin) שבהם כחמישית מחומצות האמינו הינה מסוג סרין. הבדל המפתח שבין סיבי-משי יבשים, שמקורם בתולעי-המשי והפרפרים, לבין הסיבים הלחים, שמקורם בחרקים הינו בכך שחומצות האמינו מסוג סרין בצורה הלחה מכילות קבוצות זרחה (phosphates) שהוספו להן במהלך היצירה של החלבון.

“קבוצות זרחה ידועות כמקדמות-הדבקה ומשמשות באביזרים דנטאליים כגון כתרים או סתימות,” מציין החוקר. “הן מצויות גם בצבעי-שרף מבוססי-מים ושם הן מגבירות את כושר ההידבקות של צבעים אלו. תעשיית הצבעים גילתה זאת רק לאחרונה, בעוד שחרקים אלו עושים זאת כבר כמאה וחמישים מיליוני שנים.”

קבוצות הזרחה הקשורות לסרין טעונות שלילית בעוד שחומצות אמינו אחרות בחלבון טעונות חיובית. החוקרים גילו כי עובדה זו הינה גורם עיקרי ביכולת לייצר סיבי-משי מתחת למים. שרשראות החלבונים – כל אחת מהן בעלת אזורים מתחלפים של מטען שלילי ומטען חיובי – מסתדרות במקביל אחת לשנייה כאשר אזורי המטען המנוגדים נמשכים זה לזה בהתאמה. “דמיינו לכם את השרשראות הללו זו לצד זו, כאשר הן מתנודדות כך שאזורי המינוס והפלוס פונים אחד מול השני ומרכיבות את סיבי-המשי בכמות גדולה של חלבונים כאלו בסיב יחיד,” מסביר החוקר. “אומנם לא נוכל להכין מהם חולצות, אך אולי נוכל להכין מהם אגד דביק לסביבה רטובה.”

“חלבוני פיברואין אלו, המרכיבים את סיבי-המשי, הינם מסיסי-מים בשל המטענים החשמליים הקיימים בהם. השוואה של חומצות האמינו משלושה זנים אחרים של חרקים אלו הראתה כי הדמיון ביניהן רב ומרמזת כי גם בהן אחראיות קבוצות הזרחה לקיומם של סיבי-משי רטובים. החוקרים מוסיפים ואומרים כי לסיבים אלו יש מכנה משותף גם עם חומר-ההדבקה של תולעי ארמון-החול – בשניהם יש חלבונים המכילים קבוצות זרחה רבות הגורמות לקבלת חומצות אמינו טעונות. החוקר מציין כי היכולת לייצר חומרי-הדבקה הפעילים בסביבה מימית זוהתה כבר בארבע מערכות חיים: תולעי ארמון-החול, שבלולים, מלפפוני-ים ומשפחת החרקים הנדונה – וכולן הגיעו לפתרון זה באופן עצמאי.

הידיעה מהאוניברסיטה