ใยแมงมุมสังเคราะห์จากนมแพะ

ใยแมงมุม

เมื่อพูดถึงหนังแอคชั่นแฟนตาซีอย่าง “Spiderman” หรือที่บ้านเราเรียกว่า “ไอ้แมงมุม” ทุกคนคงจะคุ้นเคยกันดีกับภาพที่พระเอกปล่อยใยแมงมุมออกมาเพื่อห้อยโหนไปตามตึก หรือใช้ดึงยึดสิ่งของ ไว้ในอากาศ แต่ในขณะเดียวกันหลายคนก็อดตั้งคำถามไม่ได้ว่ามันจะเป็นจริงไปได้หรือ?

ในชีวิตจริง เราเคยสงสัยหรือไม่ว่าทําไมตาข่ายใยแมงมุมที่บางเบาจึงสามารถดักจับแมลงไว้ได้โดยที่ใยไม่ขาด ทั้งๆที่แมลงที่ถูกกับดักนั้นมีขนาดตัวที่ใหญ่และยังบินด้วยเร็วอีกด้วย ถ้าจะบอกว่าเส้นใยของแมงมุมนั้นมีความแข็งแรงและความเหนียวมากกว่าเหล็กและ เส้นใยเคฟลาร์เมื่อมีน้ําหนักเท่ากัน คุณจะเชื่อหรือไม่?

ใยแมงมุม

แมงมุมเป็นสัตว์ที่อยู่บนโลกใบนี้เป็นเวลากว่า 400 ล้านปีมาแล้ว ตลอดช่วงระยะเวลาที่ยาวนานนี้ ได้มีการเปลี่ยนแปลงยีนพันธุกรรม (gene mutation) ที่ เกี่ยวข้องกับการอยู่รอดของแมงมุม รวมไปถึงยีนที่เกี่ยวข้องกับการผลิตเส้นใยเพื่อให้เส้นใยที่ผลิตมีสมบัติที่ดีขึ้น มีหลักฐานชี้ให้เห็นว่ามนุษย์ได้นึกถึง ประโยชน์ของเส้นใยแมงมุมมาเป็นเวลานาน ชาวกรีกโบราณใช้ใยแมงมุมปิดบาดแผลเพื่อทำการห้ามเลือด ชนเผ่าพื้นเมืองของออสเตรเลียใช้ใยแมงมุมเป็นเส้นเอ็นตกปลา

ในศตวรรษที่ 18 ได้มีความพยายามที่จะเพาะเลี้ยงแมงมุมเพื่อเก็บเส้นใยเช่นเดียวกับการเลี้ยงไหมแต่ไม่สําเร็จ เพราะแมงมุมมีพฤติกรรมที่ดุร้าย มีการทําร้ายและฆ่ากันเองเพื่อป้องกันอาณาเขตของตน ทําให้ไม่สามารถเลี้ยงแมงมุม
จํานวนมากๆ ในบริเวณที่จํากัดได้

ใยแมงมุม

ในช่วงต้นทศวรรษ 1870 ได้มีนักศัลยแพทย์ชาวอเมริกันชื่อ เบิร์ตไวล์เดอร์ (Burt G. Wilder) ได้ทําการดึงเส้นใย จากแมงมุมได้เป็นความยาวประมาณ 150 หลา แต่เมื่อพบว่าถ้าจะใช้เส้นใยนี้มา ทําเป็นเสื้อผ้าจะต้องใช้แมงมุมมากถึง 5000 ตัว! เขาจึงได้ล้มเลิกความตั้งใจที่จะ นําเส้นใยแมงมุมมาใช้

แรงจูงใจของความพยายามที่จะนําเอาเส้นใยแมงมุมมาใช้ก็คือคุณสมบัติความแข็งแรงของใยแมงมุมที่เหนือกว่า เส้นใยสังเคราะห์ที่มนุษย์ได้เคยผลิตขึ้นมา จะยกเว้นก็เฉพาะแต่ท่อนาโนของคาร์บอน (carbon nanotube) ในการสร้างรังของแมงมุม แมงมุมจะผลิตเส้นใยออกมา 2 ชนิด ชนิดแรก เป็นเส้นใยที่ทําหน้าที่เป็นโครงสร้างหลักของตาข่าย (dragline silk) ซึ่งเป็นเส้นใยที่ถูกทิ้งอยู่จุดศูนย์กลางของรังแล้วแผ่ออกเป็นแนว ชนิดที่สองเป็นเส้นใยที่ถูกทิ้งระหว่างเส้นใยหลักเป็นรูปวงกลมจะมีความแข็งแรงน้อยกว่าแต่จะมีสารที่ดูดซับความชื้นเคลือบอยู่ทําให้มีความเหนียวหนืดทําหน้าที่ติดยึดแมลงที่เข้ามาสัมผัสถูกตาข่าย

แมงมุม

เส้นใยโครงสร้างหลัก (dragline) ที่แมงมุมผลิตขึ้นเป็นที่สนใจของนักวิทยาศาสตร์เนื่องจากมีความแข็งแรงมาก มีค่าความแข็งแรงต่อการดึงยืด และเปอร์เซ็นต์ความยาวการดึงยืดก่อนขาด (elongation at break) สูงมาก ค่าเหล่านี้ ขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ เช่น อาหารที่แมงมุมกิน อุณหภูมิ ของอากาศในขณะที่เส้นใยถูกปันออกมา และความเร็วของการปั่นเส้นใย ค่าความแข็งแรงต่อการดึงยืดของเส้นใย แมงมุมมีค่าใกล้เคียงกับของเหล็กที่ใช้ในอุตสาหกรรม แต่เนื่องจากเส้นใยแมงมุมมีความหนาแน่น (1.3 g/cm) ต่ํากว่าเหล็ก (7.8 g/cm) ทําให้ความแข็งแรงต่อน้ําหนักของเส้นใยแมงมุมมีค่าสูงกว่าเหล็กมาก

เส้นใยแมงมุมมีความทนต่อการแตกหัก (toughness) ที่สูงคล้ายเส้นใยไนลอน ซึ่งเป็นสมบัติพิเศษอันหนึ่งที่แตกต่างจากเส้นใยสังเคราะห์อื่น รวมทั้งท่อนาโนของคาร์บอนที่มีความแข็งแรงสูงแต่มีความ เหนียวน้อย ทําให้เส้นใยแมงมุมสามารถรับพลังงานที่เกิดจากแรงกระแทกได้มากโดยที่ไม่ขาดง่าย

ใยแมงมุม

นอกเหนือจากความแข็งแรงและความเหนียวแล้ว ใยแมงมุมยังมีความน่าสนใจในเรื่องของความไม่เป็นพิษ ต่อสิ่งแวดล้อม เส้นใยแมงมุมเป็นเส้นใยธรรมชาติ เกิดจาก การเรียงตัวของโปรตีนทั้งหมดจึงสามารถย่อยสลายได้ (biodegradable fiber) ระบบการผลิตเส้นใยแมงมุมจึงถือได้ว่าเป็นระบบที่ไม่ทําลายสภาพแวดล้อมเมื่อเปรียบเทียบกับเส้นใยสังเคราะห์ที่มีความแข็งแรงสูงที่ผลิตจากกระบวนการปิโตรเคมีในปัจจุบันซึ่งต้องใช้สารเคมี และระบบการผลิตที่ค่อนข้างรุนแรง เช่น เส้นใยเคฟลาร์ที่ต้องทําการปั่นจากสารละลายกรดซัลฟูริคร้อนใกล้จุดเดือด

จากคุณสมบัติความแข็งแรงที่สูงกว่าเส้นใยสังเคราะห์ ระบบการผลิตและการย่อยสลายที่ไม่เป็นพิษต่อสิ่งแวดล้อม ทําให้เส้นใยแมงมุมถูกมองว่าเป็นเส้นใยสําหรับอนาคต และคาดว่าจะก่อให้เกิดการใช้ประโยชน์อย่างกว้างขวาง ทั้งในทางการแพทย์โดยใช้เป็นเอ็นเทียม เนื่องจากใยแมงมุมมีความยืดหยุ่นและทนต่อแรงเสียดทานสูง ไหมเย็บแผลโดยเฉพาะในส่วนที่ต้องการไหมที่มีขนาดละเอียด เช่นการผ่าตัดตา หรือการเชื่อมต่อเส้นประสาท เนื่องจากเป็นเส้นใยธรรมชาติที่มีขนาดละเอียด (fine fibers) และสามารถย่อยสลายได้ การใช้งานด้านทหารโดยทําเป็นเสื้อเกราะอ่อนกันกระสุน เนื่องจากมีความเหนียว ทนต่อแรงได้สูงกว่าเคฟลาร์และมี น้ําหนักเบา ใช้เป็นเส้นเชือก ตาข่าย หรือเป็นเชือกในร่มชูชีพ หรือแม้กระทั่งการใช้เป็นองค์ประกอบในวัสดุคอมโพสิตคือชิ้นส่วนสำหรับเครื่องบิน

ทหาร

ในปี คศ. 2000 บริษัท Nexia Biotechnologies Inc. ของประเทศแคนาดาทําการสังเคราะห์โปรตีนของแมงมุมในน้ํานมของแพะได้ โดยการนํายีนของแมงมุมที่เกี่ยวข้องกับการผลิตโปรตีนเส้นใยมาใส่เข้าไปในไข่ที่ได้รับการปฏิสนธิแล้วของแพะ โดยแพะทดลองชื่อว่า เว็บสเตอร์ และ พีท (Webster and Pete) เมื่อเติบโตและทําการผสมพันธุ์กับแพะปกติจะมีการถ่ายทอดพันธุกรรมยีนที่ตัดต่อใหม่นี้ไปยังลูก ซึ่งเมื่อถึงวัยที่ให้น้ํานมก็สามารถผลิตน้ํานมที่มีโปรตีนเส้นใยแมงมุมผสมอยู่ด้วย

เมื่อทําการแยกโปรตีนนี้ออกมาจะพบว่าน้ำนมสามารถผลิตโปรตีนได้ถึง 5 กรัมต่อน้ำนม 1 ลิตร บริษัทจึงได้ทําวิจัยต่อเนื่องเพื่อทําการตัดต่อยีนลงในวัวนม เพื่อให้สามารถผลิตโปรตีนเส้นใยในปริมาณที่มากขึ้น ในปี คศ. 2002 บริษัทได้ตกลงร่วมมือกับ US Army Soldier Biological Chemical Command เพื่อทําการปั่นเส้นใย จากโปรตีนที่สังเคราะห์ได้

แพะ

ในระหว่างที่กลุ่มนักวิจัยเหล่านี้กําลังเร่งในการทํางาน วิจัยต่อไปเพื่อให้สามารถสังเคราะห์เส้นใยแมงมุมที่มีสมบัติเทียบเท่าธรรมชาตินั้น ได้มีคนตั้งข้อสังเกตเกี่ยวกับสิ่งที่ควรคํานึงถึง เมื่อมีการนําใยแมงมุมนี้ไปใช้จริง ในธรรมชาติ ใยที่แมงมุมสร้างขึ้นเพื่อดักจับแมลงมักจะมีการซ่อมหรือเปลี่ยนใหม่อยู่เสมอ ดังนั้นใยแมงมุมอาจไม่ได้ถูกสร้างมาเพื่อให้อยู่ได้ถาวร ทําให้ต้องคํานึงถึงความทนของเส้นใยแมงมุม นอกจากนี้ควรจะทดลองนอกห้องปฏิบัติการ ในสถานที่จริงในธรรมชาติอีกด้วย

เส้นใยของแมงมุม นอกจากเป็นวัตถุดิบสำหรับเสื้อเกราะได้แล้ว ยังมีคุณสมบัติเก็บอุณหภูมิได้ดี มีลักษณะเบา ยืดหยุ่น ทนทาน หรือแม้กระทั่งสามารถดับกลิ่นได้ จึงมีการพัฒนาเพื่อนำมาใช้ผลิตเสื้อหรือรองเท้า ในชื่อของ smart clothing ที่มีคุณสมบัติไม่ยับและยังสามารถดับกลิ่นตัวได้ด้วย นอกจากนี้ในอุตสาหกรรมความงามหรือเครื่องสำอาง ก็สามารถใช้ประโยชน์ได้ด้วย เพราะใยแมงมุมสามารถกักเก็บความชุ่มชื้นได้ จึงมีการนำมาใช้เป็นครีมเพื่อเป็นการเพิ่มความชุ่มชื่นให้ผิวหนังหรือใบหน้าของเราได้อีกทางหนึ่งด้วย

ด้วยเหตุนี้เองใยแมงมุมจึงเป็นเส้นใยธรรมชาติ อีกอย่างหนึ่งที่นักวิทยาศาสตร์ให้ความสนใจและพยายามลอก เลียนแบบตลอดมา และในวันนี้เส้นใยแมงมุมสังเคราะห์ก็ไม่ได้เป็นเพียงจินตนาการในภาพยนตร์อีกต่อไป สุดท้ายนี้อย่าลืมกดติดตามและกดกระดิ่งช่อง eduHUB กันด้วยนะคะ