کیتونها (chitons) گروهی از نرمتنان ساحلی هستند که در نگاه اول شبیه موجودات سادهای به نظر میرسند که روی صخرهها حرکت میکنند. اما با برگرداندن یکی از آنها، ردیفهایی از دندانهای بسیار تیز و صیقلی دیده میشود؛ سازههایی که نه تنها برای خراشدادن جلبک سخت روی سنگ مناسباند، بلکه از نظر سختی و دوام با بسیاری از مواد صنعتی قابل مقایسهاند. مطالعهای که در 7 اوت در مجله Science منتشر شد، مکانیزم زیستی ایجاد این دندانها را بهصورت جامع بررسی کرده و نشان میدهد که ترکیبی از پروتئینها و رسوب آهن چگونه ساختاری با دقت نانومتری و در دمای محیط تولید میکنند.
زمینه علمی و کشف پروتئین RTMP1
محققان به رهبری دیوید کیسالیوس، استاد علم مواد در دانشگاه کالیفرنیا، در همکاری با تیمی از پژوهشگران ژاپنی گونههای بزرگتر کیتون را در شمال غربی ایالات متحده و سواحل هوکایدو بررسی کردند. آنها پروتئینی منحصربهفرد به نام RTMP1 را شناسایی کردند که نقش کلیدی در تهنشینی آهن روی دندانهای کیتون دارد. پیش از این مشخص بود که آهن در ساختار دندان این جانوران وجود دارد و به آنها اجازه میدهد جلبکهای سرسخت را از روی سنگ بتراشند، اما نحوه و زمان عمل این پروتئینها نامشخص بود.
مکانیزم مولکولی
با تلفیق روشهای علم مواد و زیستشناسی مولکولی، تیم تحقیقاتی مسیر دقیق RTMP1 در بافتهای کیتون را «از پایه» بازسازی کرد. ابتدا RTMP1 از طریق مجاری نانومتری متصل به هر دندان حرکت میکند؛ سپس به ترکیباتی متصل میشود که معماری مگنتیت (magnetite)، نوعی اکسید آهن، را کنترل میکنند. بهطور همزمان این پروتئین موجب آزادسازی آهن ذخیرهشده در فِریتین (ferritin) — پروتئینی که آهن را در بافت نگه میدارد — میشود. نتیجه این فرآیند رشد منظم ردیفهایی از دندانهای فوقسخت است که پس از سایش نیز بازتولید میشوند. نکته برجسته این است که این سازوکار در دمای محیط و با دقت نانومتری انجام میگیرد؛ یعنی بدون نیاز به فرایندهای انرژیبر صنعتی و در شرایط زیستسازگار.
جزئیات آزمایش و روشها
برای تشریح این سازوکار، پژوهشگران از میکروسکوپهای الکترونی، آنالیزهای شیمیایی موضعی، و روشهای بیوشیمیایی برای شناسایی RTMP1 و بررسی ارتباط آن با مگنتیت و فِریتین استفاده کردند. دادهها نشان داد که جریان یکنواخت و دقیق پروتئینهای باندشونده به آهن در طول زمانی مشخص، کنترل مکانی و زمانی رسوب آهن را امکانپذیر میکند؛ فرایندی که در مهندسی مواد سنتی دشوار و هزینهبر است.
نتایج کلیدی و پیامدها برای فناوری مواد
نویسندگان گزارش میکنند که ساختار دندانهای کیتون از نظر ترکیبی و عملکردی «برتر از مواد مورد استفاده در ابزارهای برشی صنعتی، رسانههای ساینده، ایمپلنتهای دندانی و جراحی، و پوششهای محافظ» است. بهعلاوه، توانایی تولید این ساختارها در دمای محیط و با کنترل نانومتری، الگویی جذاب برای بیومیمتیک و مهندسی مواد نوین فراهم میآورد. کیسالیوس میگوید: «میتوانیم از این طرحها و فرایندهای زیستی درسهای زیادی بگیریم.»
کاربردهای بالقوه شامل تولید مواد سختتر و سبکتر برای ابزارهای برشی، پوششهای مقاوم، و حتی ساخت مادههای فعال برای باتریها، کاتالیزورهای پیل سوختی و نیمههادیها است. همچنین این مکانیزم میتواند الهامبخش روشهای جدید در تولید افزایشی (پرینت سهبعدی) و سنتزهای محیطزیستدوست با کنترل مکانی–زمانی باشد.
آینده پژوهش و چالشها
هرچند نتایج امیدوارکنندهاند، تبدیل این مفاهیم زیستی به فرایندهای صنعتی نیازمند کار بیشتر در مقیاسپذیری، پایداری و تکرارپذیری است. شناسایی RTMP1 و مسیرهای مولکولی مرتبط گام مهمی است، اما مهندسی پروتئینی، شبیهسازی ساختارهای مگنتیتی و توسعه روشهای تولید پایدار هنوز مسیر پژوهشی قابلتوجهی باقی گذاشتهاند.
Conclusion
مطالعه جدید نشان میدهد که کیتونها با استفاده از یک پروتئین اختصاصی (RTMP1)، فِریتین و کنترل ساختاری مگنتیت، دندانهایی بسیار سخت و قابلبازیابی تولید میکنند—سازههایی که از نظر خواص مکانیکی میتوانند الگوهای جدیدی برای علوم مواد فراهم کنند. این کشف نه تنها به درک بهتر فرایندهای زیستی کمک میکند، بلکه میتواند پایهگذار فناوریهای نوینی در تولید مواد پیشرفته، بیومیمتیک و فرایندهای سازگار با محیطزیست باشد.
