แมลงสามารถปะ ‘กระดูก’ ที่หักได้

เมื่อมีคนหักขา พวกเขาอาจได้รับเฝือก เฝือก หรือรองเท้าบูทเพื่อประคองกระดูกในขณะที่มันรักษา แต่จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อตั๊กแตนหักแขนขา? แทนที่จะเป็นเฝือกด้านนอก แมลงจะปะตัวเองขึ้นมาจากด้านใน แผ่นแปะเหล่านี้สามารถฟื้นฟูความแข็งแรงของขาได้ถึง 66 เปอร์เซ็นต์ จากการศึกษาใหม่พบว่า

ข้อมูลนี้ยังเสนอแนวคิดใหม่ๆ ในการซ่อมท่อประเภทต่างๆ ตั้งแต่ในบ้านของเราไปจนถึง “ท่อ” ที่มีชีวิตภายในร่างกายของเรา

ตั๊กแตนและแมลงอื่นๆ อาศัยโครงกระดูกภายนอก — ตัวรองรับภายนอก — ทำจากหนังกำพร้า (KEW-ti-kul) วัสดุนี้ทำมาจากวัสดุที่เรียกว่าไคติน (KY-tin) หนังกำพร้ามีสองชั้น อันนอกหรือ exocuticle (EX-oh-KEW-ti-kul) – แข็งแกร่งและสามารถหนาได้มาก เป็นเกราะป้องกัน ชั้นใน — หรือ endocuticle — งอมากขึ้น

เมื่อตัดหนังกำพร้าจะจับตัวเป็นก้อนเพื่อปิดแผล จากนั้นเซลล์ที่ด้านใดด้านหนึ่งของการตัดจะหลั่งเอ็นโดคิวติเคิลใหม่ สารคัดหลั่งกระจายไปทั่วและใต้บาดแผล ในที่สุดก็กลายเป็นเรื่องยาก สิ่งนี้จะสร้างรอยปะหนาที่ด้านใน

ในขณะที่นักวิทยาศาสตร์เข้าใจว่าแมลงปะติดปะต่อตัวเองด้วยวิธีนี้ Eoin Parle ก็ตระหนักว่าไม่มีใครรู้ว่าสถานที่ซ่อมแซมนั้นแข็งแกร่งเพียงใด เขาตัดสินใจที่จะหา Parle เป็นวิศวกรชีวภาพ — นักวิทยาศาสตร์ที่ใช้วิศวกรรมเพื่อศึกษาสิ่งมีชีวิต เขาเริ่มงานวิจัยนี้ขณะทำงานที่ Trinity College Dublin ในไอร์แลนด์ (ปัจจุบันเขาทำงานที่ University College ในดับลิน)

Parle กล่าวว่า “มีอะไรให้เรียนรู้มากมายจากโลกธรรมชาติ ตัวอย่างเช่น หนังกำพร้าของแมลงนั้นเบามากและแข็งกระด้าง เขาอธิบาย แข็งแกร่งและแข็งทื่อ มันมักจะแข็งแกร่งมาก เขากล่าวเสริม

ตั๊กแตนทะเลทราย (Schistocerca gregaria) เร่ร่อนไปทั่วเอเชีย แอฟริกา และตะวันออกกลาง ที่ซึ่งฝูงสัตว์เลื้อยคลานสามารถทำลายพืชผลของเกษตรกรได้ สายพันธุ์นี้กลายเป็นตัวอย่างทดลองของ Parle

ตั๊กแตนกระโดด

เขานำแมลงเข้าไปในห้องแล็บของเขา “คุณมักจะขมวดคิ้วเล็กน้อยเมื่อเดินผ่านโรงงานวิศวกรรมชีวภาพที่มีกรงที่เต็มไปด้วยตั๊กแตน” เขากล่าว แต่แมลงให้โอกาสที่ดีในการศึกษาการรักษา ขาหลังของพวกเขาต้องทนต่อแรงที่แข็งแกร่งเมื่อกระโดด แขนขาเหล่านั้นมีโอกาสศึกษาว่าหนังกำพร้าจะซ่อมแซมได้ดีเพียงใด

“ขาของตั๊กแตนที่ไม่ได้รับบาดเจ็บสามารถทนต่อแรงกดที่โค้งงอได้ประมาณ 172 เมกะปาสกาลก่อนที่จะหัก “หนังกำพร้ามีแรงดัดงอที่สูงกว่าไม้” Parle กล่าว “ขาของพวกเขาแข็งแรงอย่างไม่น่าเชื่อ” แขนขาเหล่านี้ “แข็งแรงหรือแข็งแรงกว่ากระดูก [มนุษย์] – น่าประทับใจจริงๆ”

เพื่อ​ศึกษา​ว่า​จะ​มี​การ​บาดเจ็บ​อย่าง​ไร ปาร์เล​เฉือน​ขา​ของ​ตั๊กแตน 32 ตัว​อย่าง​ระมัดระวัง​ด้วย​มีด​ผ่าตัด. Parle แล้วปล่อยให้ขารักษา เขาปล่อยให้ตั๊กแตนอีก 64 ตัวไม่ได้รับอันตราย พวกเขาทำหน้าที่เป็นการเปรียบเทียบหรือการควบคุมที่ไม่ได้รับผลกระทบ หลังจากนั้น เขาก็วัดความแข็งแรงของขาในตัวแมลงทั้งหมด

ขาที่บาดเจ็บสูญเสียความแข็งแกร่งไปประมาณสองในสาม ในรัฐนี้ Parle กล่าวว่าตั๊กแตนเสี่ยงที่จะหักขาของมันออกระหว่างการกระโดด

อย่างไรก็ตาม หลังจากพักผ่อนและซ่อมแซม ขาของตั๊กแตนจำนวนมากได้รับแผ่นหนาใต้เยื่อบุโพรงผิวหนัง สิ่งนี้แก้ไขบาดแผล ขาที่ได้รับผลกระทบมีความแข็งแรงประมาณสองในสามอย่างที่เคยเป็นมาก่อนได้รับบาดเจ็บ นั่นเป็นสิ่งที่ดีพอที่จะปล่อยให้แมลงกลับมากระโดดได้อย่างปลอดภัย ด้วยเหตุนี้ Parle จึงสรุปว่า การซ่อมแซม “กำลังฟื้นฟูสมรรถภาพของแมลง”

แรงบันดาลใจจากแมลง

อย่างไรก็ตามบาดแผลไม่หายทั้งหมด ในความเป็นจริงน้อยกว่าครึ่งเล็กน้อย หากบาดแผลขรุขระหรือกว้างเกินไป เซลล์รอบ ๆ บาดแผลจะไม่สามารถหลั่งสารเอ็นโดคิวติเคิลได้มากพอที่จะอุดช่องว่างได้ แต่ Parle รู้สึกประหลาดใจที่พบว่าแม้ว่าบาดแผลจะรักษาไม่หาย แต่ก็ไม่ได้ใหญ่ขึ้น หนังกำพร้ารอบ ๆ ตัวก็ไม่แตก

สิ่งนี้ทำให้วิศวกรสงสัยว่าวันหนึ่งวัสดุที่ได้แรงบันดาลใจจากหนังกำพร้าอาจช่วยทำและซ่อมแซมท่อ เช่น ท่อที่ลำเลียงน้ำผ่านอาคารได้หรือไม่ ในท่อที่ใช้ในปัจจุบัน รอยแตกขนาดเล็กสามารถเติบโตและแพร่กระจายอย่างรวดเร็วจากบริเวณที่แตกในครั้งแรก เขากล่าว

Parle คิดว่าระบบแพทช์ของแมลงอาจเป็นแรงบันดาลใจถึงวิธีการซ่อมแซมหลอดเลือดที่แตกในคน แทนที่จะเย็บแผล เราสามารถ “ฟื้นฟูความแข็งแกร่งและความเหนียวได้อย่างมีประสิทธิภาพด้วยการใช้แผ่นแปะภายใน” เขากล่าว Parle และเพื่อนร่วมงานของเขาได้ตีพิมพ์ผลการวิจัยเมื่อวันที่ 6 เมษายนใน Journal of the Royal Society Interface

การศึกษาเกี่ยวกับขาตั๊กแตนหักคือ “การศึกษาแบบที่เราต้องการ” Marianne Alleyne กล่าว เธอไม่ได้เกี่ยวข้องกับการวิจัยของ Parle Alleyne เป็นนักกีฏวิทยา – ผู้ที่ศึกษาแมลง – ที่มหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ในแชมเปญ “นี่เป็นช่วงเวลาที่น่าตื่นเต้นในการดูสิ่งนี้” เธอกล่าว

แม้ว่าตั๊กแตนในห้องแล็บสามารถรักษาแขนขาหักได้ แต่ก็ไม่มีใครรู้ว่าพวกมันจะทำในป่าด้วยหรือไม่ ต้องใช้เวลาอย่างน้อย 10 วันในการรักษาขา นั่นเป็นเวลานานในช่วงอายุขัยสามถึงหกเดือนของตั๊กแตน

“สิ่งนี้พิสูจน์ว่าพวกเขาทำได้” Alleyne กล่าว “แต่มันไม่ได้พิสูจน์ว่าพวกเขาทำสิ่งนี้ในธรรมชาติ” และแน่นอน เมื่อตั๊กแตนได้รับบาดเจ็บในป่า พวกมันอาจไม่ได้ถูกตัดอย่างระมัดระวังจากมีดผ่าตัด

แต่ Alleyne หวังว่านักวิทยาศาสตร์อาจคิดหาวิธีใช้เทคโนโลยีในปัจจุบันเพื่อสร้างวัสดุที่คล้ายกับโครงกระดูกภายนอกของแมลง ท่อประปาจะได้รับประโยชน์จากสิ่งที่ทำมาจากสิ่งที่สามารถปะติดปะต่อได้และจะไม่แตกต่อไปเมื่อหัก วัสดุที่มีลักษณะคล้ายหนังกำพร้าคือ “การปะติดด้วยตนเองและสามารถรีไซเคิลได้” Alleyne กล่าว เธอเสริมว่ามันค่อนข้างยาก

เมือกหอยทาก + ทองคำสามารถเพิ่มพลังของครีมกันแดดและอื่น ๆ ได้

วัสดุที่ไม่น่าจะเป็นไปได้สองอย่าง — เมือกหอยทากและทองคำ — อาจเป็นเคล็ดลับในการทาครีมกันแดดที่ดีกว่า

ครีมกันแดดมักจะมีอนุภาคเล็กๆ ที่สะท้อนแสงอาทิตย์ โดยปกติแล้วจะเป็นเศษโลหะสังกะสีหรือไททาเนียม แต่อนุภาคนาโนของทองคำสามารถทำงานได้ดีขึ้นเนื่องจากมีการสะท้อนแสงสูงและความเป็นพิษต่ำ ในการผลิตนาโนบิตดังกล่าว นักวิจัยในอิตาลีใช้เมือกหอยทากเพื่อจับกลุ่มอะตอมทองคำเข้าด้วยกัน เมือกทำให้กระบวนการนี้เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมและยังช่วยให้ผลิตภัณฑ์ดูแลส่วนบุคคลมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น

นักวิจัยหวังว่าจุดสีทองที่ลื่นไหลจะถูกนำมาใช้ในครีมกันแดดและเครื่องสำอางอื่นๆ สักวันหนึ่ง และผลิตภัณฑ์ที่เป็นนวัตกรรมใหม่เหล่านี้อาจไม่เพียงแต่ดีต่อผิวของเราเท่านั้น แต่ยังปลอดภัยต่อโลกของเราอีกด้วย

การศึกษาอธิบายเทคโนโลยีใหม่นี้ปรากฏใน Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology เดือนพฤศจิกายน

สปาและหอยทากและเส้นทางลื่น

เมือกหอยทากอาจฟังดูเป็นสิ่งสุดท้ายที่คุณต้องการทาบนใบหน้าของคุณ แต่สกินแคร์ที่ใช้หอยทากนั้นยังห่างไกลจากของใหม่ แม้แต่ชาวโรมันโบราณก็ยังใช้มัน วันนี้สปาบางแห่งเสนอ “การดูแลผิวหน้าหอยทาก” หอยทากเป็นๆ ไหลซึมทั่วใบหน้า ร่องรอยสกปรกที่ทิ้งไว้สามารถให้ความชุ่มชื้นแก่ผิวได้ พวกเขายังสามารถทำให้จุดด่างอายุจางลงได้

สำหรับการศึกษาใหม่ของพวกเขา นักวิจัยในบารี ประเทศอิตาลี ใช้เมือกที่เก็บมาจากหอยทากสีน้ำตาล (Helix aspersa Müller) ห้องพิเศษที่เต็มไปด้วยโอโซนได้สนับสนุนให้หอยทากหลั่งเมือก “แต่อย่างอ่อนโยน” Pinalysa Cosma กล่าวเสริม – “ไม่ใช่ในทางที่ทำร้ายหอยทาก” Cosma เป็นนักเคมีในทีม เธอทำงานที่มหาวิทยาลัย Bari Aldo Moro

ทีมของเธอผสมสไลม์นั้นลงในขวดที่มีอะตอมสีทองละลายในน้ำ เมือกหอยทากเปลี่ยนอะตอมสีทองเหล่านั้นจากรูปแบบหนึ่งที่เรียกว่า Au3+ เป็นประเภทที่เรียกว่า Au0

“ส่วนประกอบหลักของเมือกหอยทาก — โปรตีน — เป็นตัวลด” Vito Rizzi อธิบาย เขาเป็นนักเคมีอีกคนในทีมที่มหาวิทยาลัย Bari Aldo Moro เขาอธิบายว่าตัวรีดิวซ์ทำให้อิเลคตรอนกลายเป็นไอออนเคมี

เมื่อโปรตีนเมือกหอยทากให้อิเล็กตรอนกับ Au3+ ทองก็จะไม่ใช่ไอออนอีกต่อไป มันเปลี่ยนเป็น Au0, Cosma กล่าวซึ่ง “เป็นรูปโลหะของทองคำ” ไม่เหมือนกับ Au3+ เพราะรูปแบบนี้ไม่ละลายในน้ำ อะตอมของทองคำแต่ละอะตอมจึงจับกลุ่มเป็นอนุภาคนาโน

บริษัทต่างๆ มักจะผลิตอนุภาคนาโนทองคำด้วยสารเคมีที่ “ไม่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม” Rizzi กล่าว สารเคมีเหล่านั้นสามารถปล่อยมลพิษสู่สิ่งแวดล้อมได้ เมือกหอยทากไม่ได้ (สารธรรมชาติอื่นๆ ยังถูกใช้เป็นวิธีการ “เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม” ในการผลิตอนุภาคนาโน เช่น สารสกัดจากพืชหรือเชื้อรา)

ครีมกันแดดแห่งอนาคต?

ทองมันเงาจริงๆ ลองนึกภาพเหรียญทองคำส่องแสงระยิบระยับท่ามกลางแสงแดด เศษทองสะท้อนแสงอาทิตย์เหมือนกระจกนาโน (โลหะอื่นๆ ก็เช่นกัน นั่นเป็นสาเหตุที่ด้านหลังขวดครีมกันแดดของคุณอาจมีรายการ “ซิงค์ออกไซด์” หรือ “ไททาเนียมไดออกไซด์” อยู่ในส่วนผสม) แต่ทองคำสะท้อนแสงได้มากกว่าส่วนผสมสะท้อนแสงที่ใช้ในครีมกันแดดในปัจจุบัน

เมือกหอยทากเองก็ดูเหมือนจะช่วยเพิ่มความสามารถในการกรองแสงแดดของทองคำ อาจเป็นเพราะเมือกดูดซับแสงบางส่วนไปพร้อม ๆ กับที่ทองคำสะท้อนแสง ครีมกันแดดหลายชนิดมีส่วนผสมที่ทำทั้งสองอย่าง

ทีมของ Cosma ละลายนาโนโกลด์ในน้ำแล้ววัดว่าส่วนผสมดูดซับแสงเท่าใด เมื่อเทียบกับอนุภาคนาโนทองคำธรรมดา อนุภาคที่มีลักษณะเป็นหอยทากของทีมดูดซึมได้มากกว่า นั่นเป็นสิ่งสำคัญ หมายความว่าการเพิ่มทองที่เคลือบด้วยเมือกสามารถเพิ่มการป้องกันของครีมกันแดดได้มากกว่าเศษทองธรรมดา สิ่งนี้ควรให้ครีมกันแดดมีปัจจัยป้องกันแสงแดดหรือ SPF ที่สูงขึ้น

เมือกหอยทากมีประโยชน์อีกอย่างหนึ่งเช่นกัน ช่วยเพิ่มความสามารถของอนุภาคนาโนทองคำในการซับสารเคมีอันตรายที่เรียกว่าอนุมูลออกซิเจนหรือที่เรียกว่าสารออกซิแดนท์ ปฏิกิริยาเคมีตามปกติในร่างกายทำให้เกิดอนุมูลเหล่านี้ แต่มากเกินไปอาจทำให้เกิดปัญหาได้ ตัวอย่างเช่น พวกมันสามารถฆ่าเซลล์ได้ อนุมูลออกซิเจนสามารถทำปฏิกิริยากับและสลายส่วนผสมของครีมกันแดดได้ นั่นเป็นเหตุผลที่บริษัทต่างๆ ได้เพิ่มสารเคมีต้านอนุมูลอิสระเพื่อต่อสู้กับสารอนุมูลอิสระ การศึกษาของอิตาลีรายงานว่าอนุภาคนาโนยังทำหน้าที่เป็นสารต้านอนุมูลอิสระ

“นี่เป็นการศึกษาที่ดีมาก” Bipinchandra Salunke กล่าว เขาเป็นนักเทคโนโลยีชีวภาพในเมือง Dhule ประเทศอินเดีย (ซึ่งปัจจุบันเขากำลังช่วยพัฒนาบริษัทสตาร์ทอัพ) Salunke ไม่ได้มีส่วนร่วมในการวิจัยใหม่ แต่เขาเคยทำอนุภาคนาโนทองคำมาก่อน ย้อนกลับไปในปี 2014 เขาเป็นส่วนหนึ่งของทีมที่ใช้สารสกัดจากพืชเพื่อทำสิ่งนั้น กลุ่มของเขาอธิบายเทคนิคนี้ไว้ใน International Journal of Cosmetic Science

กลุ่ม Bari กำลัง “เพิ่มสารชีวภาพใหม่หนึ่งตัวในห้องสมุด” Salunke กล่าว “และพวกเขากำลังแสดงการใช้งานด้านชีวการแพทย์ด้วย” เขาอ้างถึงการศึกษาก่อนหน้านี้โดยทีมบารี แสดงให้เห็นว่าอนุภาคนาโนทองคำที่ลื่นไหลสามารถช่วยให้แผลหายเร็วขึ้น นักวิจัยรายงานผลลัพธ์ดังกล่าวใน Soft Matter ฉบับเดือนธันวาคม 2020

ความท้าทายที่จะเอาชนะ

คู่หูสไลม์-โกลด์อาจยังไม่พร้อมสำหรับการใช้งานอย่างแพร่หลาย เหตุผล: โครงสร้างของอนุภาคส่งผลต่อสารเคมีที่มันสามารถทำปฏิกิริยากับมันได้ ดังนั้นอนุภาคนาโนที่มีรูปร่างและขนาดต่างกันจึงสามารถมีลักษณะที่แตกต่างกันได้ บิตนาโนโกลด์บางบิตอาจทำงานได้ดีกว่าสำหรับการใช้งานเฉพาะ

อนุภาคนาโนที่ทำด้วยเมือกหอยทากไม่ได้มีเพียงขนาดหรือรูปร่างเดียว สำหรับผลิตภัณฑ์ที่ซื้อจากร้านค้า Cosma กล่าวว่าการควบคุมรูปแบบและการทำงานของผลิตภัณฑ์อย่างใกล้ชิดเป็นสิ่งสำคัญ สำหรับตอนนี้อนุภาคนาโนของเมือกหอยทากในปัจจุบันยังคงเป็นถุงผสม

นั่นอาจเป็นเพราะเมือกหอยทากที่มีโมเลกุลมากมาย หลายคนอาจมีบทบาทในการเปลี่ยน Au3+ เป็น Au0 โปรตีนถือว่ามีความรับผิดชอบ แต่เมือกหอยทากยังมีเปปไทด์ คาร์โบไฮเดรต และอื่นๆ สิ่งเหล่านี้อาจมีความสามารถในการช่วยสร้างอนุภาคนาโนได้ Salunke กล่าว

Jennifer Gubitosa เป็นนักเคมีอีกคนในทีม Bari เธอชี้ให้เห็นว่าสิ่งอื่นที่ไม่ใช่สูตรน้ำเมือกสามารถ “ส่งผลต่อรูปร่างหรือสัณฐานวิทยาของอนุภาคนาโนได้เช่นกัน” ในหมู่พวกเขาเธอตั้งข้อสังเกตคืออุณหภูมิและ pH ข่าวดี: สิ่งเหล่านั้น “ควบคุมได้ง่าย”

เป็นไปได้ด้วยซ้ำว่าอนุภาคนาโนชนิดต่างๆ ที่อยู่ในความสับสนสามารถแยกออกได้ Salunke แนะนำให้ใช้เครื่องหมุนเหวี่ยง (SEN-trih-fewj) มันหมุนภาชนะบรรจุของเหลวอย่างรวดเร็ว สิ่งนี้สร้างแรงกดดันต่ออนุภาคของมันและผลักออกไปด้านนอก (คุณอาจเคยรู้สึกกดดันคล้ายๆ กันนี้ผลักคุณออกไปด้านนอกของที่นั่งขณะนั่งรถหมุนในคาร์นิวัล) อนุภาคที่เล็กกว่าจะเคลื่อนตัวผ่านของเหลวได้ง่ายขึ้น โดยจะรวมตัวกันที่ด้านล่าง อนุภาคขนาดใหญ่อยู่ใกล้ด้านบนมากขึ้น

Salunke แนะนำให้ใส่ส่วนผสมของอนุภาคนาโนลงในน้ำน้ำตาล มันหนากว่าน้ำเปล่า ที่ช่วยปรับปรุงการฝังรากลึก จากนั้นปั่นแยกส่วนผสม “และในแต่ละชั้น” เขาสงสัยว่า “คุณจะได้ขนาดหรือรูปร่างเฉพาะ”

สามารถอัพเดตข่าวสารเรื่องราวต่างๆได้ที่ wardellinger.com