ساخت عضله مصنوعی از پروتئین طبیعی

به گزارش ساینس‌ دیلی، دکتر "استفان شیلر"(Stefan Schiller) و دکتر "ماتیاس هوبر"(Matthias Huber)، پژوهشگران "دانشگاه فرایبورگ"(University of Freiburg) آلمان موفق شده‌اند تا نوعی عضله مصنوعی را با استفاده از پروتئین‌های طبیعی پرورش دهند. انقباض این عضله را می‌توان با کمک تغییرات صورت گرفته در پی‌اچ و دما کنترل کرد. حرکات عضله در اثر یک واکنش شیمیایی صورت می‌گیرند که انرژی مولکولی را برای این هدف مصرف می‌کند.

شیلر گفت: عضله مصنوعی ما هنوز یک نمونه ابتدایی است. با وجود این، زیست‌سازگاری بالای این ماده و امکان تنظیم کردن ترکیب آن برای مطابقت با بافت می‌تواند راه را برای کاربردهای آینده در حوزه پزشکی ترمیمی، پروتزها، داروسازی یا رباتیک نرم هموار کند.

دانشمندان در گذشته، پروتئین‌های طبیعی را به عنوان پایه‌ای برای توسعه عضلات مصنوعی در نظر گرفته‌اند و آنها را به صورت ماشین‌های مولکولی کوچک یا پلیمرها ساخته‌اند. با وجود این، هنوز امکان توسعه عضلات مصنوعی که کاملا مبتنی بر زیست هستند و با کمک انرژی شیمیایی به طور مستقل حرکت می‌کنند، ممکن نشده است.

ماده‌ای مبتنی بر یک پروتئین طبیعی

مواد مورد استفاده پژوهشگران دانشگاه فرایبورگ، مبتنی بر "الاستین"(Elastin) هستند. الاستین، یک پروتئین فیبری طبیعی است که در بدن انسان نیز وجود دارد. این پروتئین در بدن انسان، به پوست و رگ‌های خونی ویژگی ارتجاعی می‌دهد. پژوهشگران با پیروی از الاستین، دو پروتئین شبیه به آن را تولید کردند که یکی از آنها نسبت به نوسانات پی‌اچ و دیگری نسبت به تغییرات دما واکنش نشان می‌دهد. آنها این دو پروتئین را با استفاده از پیوند متقاطع فتوشیمیایی ترکیب کردند تا یک ماده دولایه تشکیل شود. در این فرآیند می‌توان مواد را به صورت انعطاف‌پذیری شکل داد و جهت حرکت آن را تنظیم کرد.

انقباض‌های مبتنی بر تغییرات دما

پژوهشگران با استفاده از یک منبع انرژی شیمیایی به عنوان سوخت که در این پژوهش سولفیت سدیم بود، موفق شدند به القای انقباضات بپردازند. در یک واکنش شیمیایی نوسانی که طی آن، پی‌اچ در چرخه‌ها به دلیل پیوند خاص چندین واکنش تغییر می‌کند، انرژی اضافه‌شده از طریق حالت‌های غیر تعادلی ماده به انرژی مکانیکی تبدیل می‌شود.

پژوهشگران بدین ترتیب، مواد را وادار به انقباض مستقل در یک روش چرخه‌ای کردند. همچنین آنها توانستند انقباض‌ها را با کمک تغییرات دما، خاموش و روشن کنند. واکنش شیمیایی نوسانی، در دمای حدود ۲۰ درجه سلسیوس آغاز شد و مواد، انجام دادن حرکات موزون را آغاز کردند.

در این فرآیند می‌توان حالت‌های خاصی را برنامه‌ریزی کرد و دوباره به تنظیم آنها با محرک دیگری پرداخت. بدین ترتیب، پژوهشگران به یک سیستم ساده دست یافتند.

شیلر گفت: از آنجا که مواد مورد استفاده ما از پروتئین الاستین طبیعی مشتق شده‌اند و با کمک روش‌های زیست‌فناوری تولید می‌شوند، پایداری قابل توجهی دارند که برای کاربردهای فنی مناسب است. در آینده، این ماده می‌تواند برای پاسخ به محرک‌های دیگری مانند غلظت نمک در محیط و مصرف سایر منابع انرژی از جمله انرژی حاصل از زیست‌توده، توسعه بیشتری یابد.

این پژوهش، در مجله "Advanced Intelligent Systems" به چاپ رسید.