A pókok a természet selyemkészítő mesterei, evolúciójuk olyan selymeket fejlesztett ki, ami az emberek számára is hasznosnak bizonyult, a nyúlós fogpasztaszerű péptől az erős és rugalmas szálakig.

"Nem csupán egyfajta anyagról beszélünk" - mondta Cheryl Hayashi, aki a riverside-i Kalifornia Egyetemen tanulmányozza a pókselyem evolúciós genetikáját. "Vessünk egy pillantást a természetre, ahol számos megoldás létezik. Ragasztót szeretnél? Van olyan selyem, ami már ragasztóként funkcionál"

Éveken át hallhattunk a pókselyemmel kapcsolatos reményekről, hogy egy nap az acélnál is erősebb kábeleket, vagy a kevlárnál is hatékonyabb golyóálló mellényeket készíthetünk belőlük. A kutatók már akkor is tisztában voltak azzal az egyszerű ténnyel, hogy a pókok nagyon nehezen kezelhetők, eleve nem tudnak kolóniákban élni, rovarokkal táplálkoznak és a kannibalizmus sem áll messze tőlük, vagyis a kereskedelmi alkalmazások ellátásához képtelenek elég selymet előállítani.

A megoldás tehát a nyolclábúak leutánzása lett volna, amik a könnyen kezelhető és jól bevált selyemhernyókkal szemben öt különböző selyem előállítására képesek. A kutatók hosszú éveken át próbálták megoldani ezt a feladatot, azonban nem sikerült megfejteniük a pókok titkait, a kapott anyagok sem erősségben, sem rugalmasságban nem veszik fel a versenyt az eredeti pókselyemmel. Több tudós már felhagyott a hiábavalónak tűnő küzdelemmel és most az egyetlen bőségesen elérhető selyem, a hernyóselyem újra feltalálásán dolgozik. Az anyag újra alkotásával elvileg jóval messzebbre juthatnak, mint a golyóálló mellények. David Kaplan egyike ezeknek a tudósoknak. "Itt van egy anyag, ami már 5000 éve velünk van, és körülbelül ugyanennyi ideje alkalmazzuk a szövésben" - fejtegette a Tufts Egyetemen dolgozó kutató. "Ennek ellenére nyugodtan kijelenthetjük, hogy ez egy kiaknázatlan terület"

Dr. Kaplan munkatársaival igyekszik pótolni ezt a hiányosságot és különböző, a selyemmel eddig kevésbé rokonítható alkalmazásban használja fel az anyagot. Legutóbb az epilepszia kezeléséhez készítettek vékony fémelektródákból és lebontható selyemből egy hártyaszerű, hajlékony elektródasort, ami annyira vékony, hogy képes követni az agy felszínének domborulatait. A kitűnő alakkövetési tulajdonságok mellett az implantátum legfőbb erénye a biológiai kompatibilitás, melyeknek köszönhetően maximalizálja az agy és az elektródák közötti kontaktust, ugyanakkor minimalizálja az agysérüléseket.

A kereskedelmi forgalomba kerülő selymet évszázadokon át selyemhernyók tenyésztésével biztosították, amik a magányos pókokkal ellentétben jól megférnek egymás mellett, miközben teljes nyugalomban elrágcsálják az eperfa leveleit, és jókora mennyiségekben fonják a kívánt anyagot. "A selyemhernyó azonban csak egyfajta selymet állít elő, míg a pókoknak egy egész készlet van a tarsolyukban" - tette hozzá Hayashi.

Pontosan emiatt próbálták oly sokan megfejteni a pókselyem biológiáját és lemásolni a folyamatot, a mesterségesen előállított selymek azonban alig különböznek a jobb polimerektől. A selyem fibroinból, egy rostos fehérjéből tevődik össze, ami a pókok, a selyemhernyók, vagy más rovarok mirigyiben képződik. Ezek a lények azonban olyasvalamit csinálnak, amire a laboratóriumok képtelenek: kontrollálják a selyem kémiáját, ami az organizmus belsejében folyékony, elhagyva azt viszont szilárddá válik.

A természetes selyem legnagyobb előnye a fehérjék szerveződésének módja. Olyan komplex módon gombolyodnak, ami minden egyes selymet egyedi tulajdonságokkal ruház fel. A tudósoknak ezt a körmönfont felgombolyodást, az angol szakkifejezéssel élve foldingot nem sikerült leutánozniuk. "Még mindig nem értük el azt a komplexitást, ami egy pókban zajlik" - mondta Hayashi. "Nincs olyan laboratórium a világon, ahol sikerült volna mesterséges selyem mirigyet előállítani"

Genetikai módosítással több más élőlényben, baktériumoktól kezdve a növényeken át, már magukban a selyemhernyókban is sikerült kiváltani a pókselyem proteinek termelődését, a fehérjék újraalkotása azonban tönkre teszi a kulcsszerepet játszó folding sémát. "Amint kinyerjük a selymet, gyakorlatilag véletlenszerűvé tesszük a proteinszerkezetet, megsemmisítve az anyag összes azon tulajdonságát, amit el szeretnénk érni"- nyilatkozott Dr. David Porter, a brit Sheffield Egyetem szakértője.

Kaplan hosszútávon a genetikailag módosított növényekben látja a megoldást, amikről a kész pókalapú selymet ugyanúgy fogják betakarítani, mint a gyapotot. Addig is az újra alkotott hernyóselyemmel dolgozik, új hártyákat és egyéb anyagokat konstruálva. Az amerikai szakember 21 éve kutatja a selymet, ebből az első évtizedet pusztán a selyem alapvető felépülési mechanizmusának megismerésével töltötte. "Megtanultuk milyen fontos a víz. Ez triviálisnak hangozhat, azonban az egész folyamat a víztartalom szabályzása körül mozog" - mondta.

Kaplan kutatásai és az abból származó alkalmazások elsősorban a biomedikai területekre, ezen belül is a szövetek előállítására összpontosulnak. 2005-ben laboratóriumában kifejlesztett egy vízlágyítási folyamatot, melyben a selymeket lassan, egy nedves közegben alkotta újra. "Kristály tiszta hártyákat kaptunk" - mondta Kaplan. "Soha senki nem látott ilyet korábban selyemmel"

Ez vezetett el a gondolathoz, hogy egy mesterséges szaruhártyát készítsenek selyemből. A szaruhártyának azonban áteresztőnek kell lenniük, ezért Kaplan egy lézertudóst, Fiorenzo Omenettot is bevonta kutatásaiba, aki parányi lyukakat égetett a selyembe, így egy teljes, selymen alapuló optikai megoldással álltak elő.

Az együttműködés hosszú távúvá vált, amiből optikai rácsok és egyéb szerkezetek születtek, melyek kitűnő táptalajt biztosítanak más proteinek, vagy összetevők számára, növelve a selyemhártyák beültethető bioszenzorokkénti, vagy gyógyszerbeviteli alkalmazhatóságát. Az eljárás egyik nagy előnye, hogy "zöld". "Elképesztő diffrakciós rácsokat állíthatunk elő üveg vagy műanyagok felhasználásával" - mondta dr. Omenetto. "Ezek azonban magas hőmérsékleteken, vagy nagyon erős vegyi környezetekben készülnek, olyan körülmények között, ami megnehezíti a gyógyászati alkalmazásokat"

Más intézetek is kutatják a selyem gyógyászati alkalmazásait, Eugenia Kharlampieva a Georgia Tech kutatója például ezüst nanorészecskékkel kísérletezik, hogy megerősítse a finom selyemhártyákat. "A selyem biológia kompatibilitása miatt egy csodálatos anyag" - nyilatkozott a New York Times-nak. "Az egyik legnagyobb hátránya a puhasága. Ha optikai alkalmazásoknál is szeretnénk használni, akkor valahogy meg kell erősíteni"

A kutatónő által használt hártyák elképesztően véknyak, ezért Kharlamieva rétegezte azokat. "Egy nanokompozitot készítünk, ami rugalmas, mégis puha, de mechanikailag erősebb". Hajlékonyságuk miatt Kharlampieva parányi kapszulákat formál belőlük, amik parányi gyógyszeradagokat szállíthatnak. A kapszulák a nanotechnikának köszönhetően nem nagyobbak egy vérsejtnél, ezért a véráramban is képesek a gyógyszerek szállítására.

Dr. Omenetto munkájának köszönhetően azonban még ennél is különlegesebb alkalmazásokban gondolkozhatunk. A Boston Egyetemen például a fény és az elektromágneses sugárzások manipulálására alkalmas metaanyagok alapjaként használnák fel a selymet. Fémek ülepítésével bonyolult szerkezeteket alkotva a selyemhártyákon metaanyag antennákat készítenének, amiket a testen belül egészségi állapotunk figyelemmel kíséréséhez használhatnánk, az antennák jelei a szervezetben uralkodó körülmények függvényében változnának.

Utóbbi alkalmazásokhoz még igen sok időre lehet szükség, a lehetőségek azonban hatalmasak, amit Omenetto is elismer. "Amikor először felkértek, hogy égessek lyukakat az anyagba, akkor ismertem fel az elképesztő optikai tulajdonságait" - utalt a Kaplannel közös munkájukra. "Azóta sem hagynak nyugodni a benne rejlő lehetőségek"