Örümcek ipeği lifleri

Year 2024, , 1287 - 1303, 15.12.2024

İrem Palabıyık , Esen Ozdogan

https://doi.org/10.17714/gumusfenbil.1489562

Abstract

Örümcek ipeği, örümceklerin ipek bezleri aracılığıyla salgıladıkları doğal bir protein esaslı biyomalzeme ve bir tür biyoelastik lif olup, doğada üretilen en iyi malzemelerden biridir. Biyolojik olarak uyumlu ve biyolojik olarak bozunabilir özellikte olan örümcek lifleri çok hafif ve çok incedir. Bu lifler yüksek elastikiyetin yanı sıra, yüksek mekanik ve özgül mukavemete de sahiptir. Örümcek ipeği lifinin bu özellikleri, yüksek performans gerektiren birçok ürün için ideal bir alternatif sunar. Örümcek ipeği lifini doğal yollarla örümceklerden elde etmenin yanı sıra, kimyasal olarak örümcek ipeğinin üretiminde rekombinant DNA teknolojisi de kullanılır. Örümcek ipeğini oluşturan ana proteini üretmek için gerekli DNA alınıp, bakteri-maya, bitki, böcek veya memelilere yerleştirildikten sonra lif oluşumu gözlenir. Endüstriyel olarak örümcek ipeğinin özelliklerine sahip bir lifin geliştirilmesi yüksek performanslı lifler alanında umut verici bir potansiyel sunar. Günümüze kadar gelen çalışmalar neticesinde biyomimetik bilimi dahilinde birçok çalışma tekstil sektöründe uygulama alanı bulmuştur. Bu çalışma kapsamında incelenen ve özel lifler içerisinde yer alan örümcek lifleri, tekstil sektörünün birçok alanında potansiyel oluşturur. Bu çalışmada, örümcekler, örümceklerden lif eldesi, örümcek ipeği liflerinin özellikleri ve bu liflerin kullanım alanlarına yer verilmiştir.

Keywords

Biyomimetik, İpek protein, Örümcek ağı, Örümcek ipeği

Spider silk fibers

Abstract

Spider silk is a natural protein-based biomaterial, which is secreted through spiders' silk glands, and a type of bioelastic fiber, and is one of the best materials produced in nature. Spider silk fibers, which are biologically compatible and biodegradable, are very light and very thin. Besides having high elasticity, these fibers have high mechanical and specific strength, as well. Such properties of spider silk offer an ideal alternative for many products that require high performance. In addition to obtaining spider silk fiber from spiders by natural means, recombinant DNA technology is also used for the same purpose in a chemical manner. Fiber formation is observed after the DNA required to produce the main protein that forms the spider silk is taken, and then placed in bacteria-yeast, plants, insects or mammals. Industrially, the development of fibers with spider silk's characteristics offers a promising potential in the field of high-performance fibers. As a result of the studies to date, many studies within the scope of biomimetics science have found applications in textile sector. Spider fibers, which are one of the special fibers that present potential in many areas of the textile industry, are investigated in this study, as well. Here, spiders, obtaining fiber from spiders, properties of spider silk fibers, and the spider silk fibers' areas of use are included.

Keywords

Biomimetic, Silk protein, Spider webs, Spider silk

References

• Aras, O., & Kazancı, M. (2019). Kullanılan farklı çözücülerin ipek fibroin-PVA kompozit süngerlerin yapısına olan etkisi. Tekstil ve Mühendis Dergisi, 26(115), 224-232. https://doi.org/10.7216/1300759920192611502
• Arıcı, A. (2018). Elektrospin metodu ile hazırlanan polimer/MWCNT nanofiberlerin özelliklerine MWCNT çapının ve uzunluğunun etkisinin araştırılması [Yüksek Lisans Tezi, Necmettin Erbakan Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü].
• Arslan, Y. E. (2007). Elektrodöndürme tekniğiyle oluşturulan polimer nano-liflerin memeli hücresi etkileşimlerinin incelenmesi [Yüksek Lisans Tezi, Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü]
• Atav, R., & Karaboğa Ekinci, S. (2017). Proteazlarla enzimatik modifikasyon yoluyla ipek liflerinin boyanabilirliğinin geliştirilmesi. Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, 17(1), 138-146. https://doi.org/10.5578/fmbd.54077
• Aydın, A., & Günaydın Karakan., G. (2012). Elektromanyetik kalkanlama amaçlı koruyucu tekstiller. Akdeniz Sanat, 4(7), 85-88.
• Begiç, H. N. (2020). Entomolojiden moda ve tekstile bir değerlendirme. Pamukkale Üniversitesi Sosyal Bilimler Enstitüsü Dergisi, (39), 131,149.
• Beşoğlu-Sırrı çözülemeyen biyopolimer örümcek ipeği. (2019, 30 Ağustos). https://www.besoglu.com/sirri-cozulemeyen-biyopolimer-orumcek-ipegi/.
• Biørnstad, L. (2014, August 13). How spiders make their silk. ScienceNordic. https://sciencenordic.com/forskningno-molecular-biology-spiders/how-spiders-make-their-silk/1405645.
• Bozdoğan, F., Üngün, S., Temel, E., & Süpüren Mengüç, G. (2015). Balistik koruma amaçlı kullanılan tekstil materyalleri, özellikleri ve balistik performans testleri. Tekstil ve Mühendis Dergisi, 22(98), 84-103. https://doi.org/10.7216/130075992015229808.
• Çavuşoğlu, K., Bayram, A., Maraş, M., & Kırındı, T. (2006). Steatoda paykulliana (Araneae, Theridiidae) (Walckenaer, 1806)'nın zehir aygıtının morfolojisi hakkında. Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 10(1), 25-29.
• Çavuşoğlu, K., & Yalçın, E. (2007). Eresus Cinnabarinus (Olivier, 1789) (Araneae, Eresidae) örümceğinin zehir aygıtı üzerine morfolojik bir çalışma. Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi Fen Dergisi, 2(2), 126-135.
• Çay, A., Süpüren, G., Kanat, Z. E., Gülümser, T., & Tarakçıoğlu, I. (2007). Balistik lifler (Bölüm 1). Tekstil ve Mühendis Dergisi, 17(4), 232-236.
• Çerkez, İ. (2007). Kolloidal silika dispersyonunun polietilen kumaşların balistik performansına etkisi [Yüksek Lisans Tezi, Uludağ Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü].
• Connor A., Zha R. H., Kofas M., (2024) Production and secretion of recombinant spider silk in Bacillus megaterium. Microbial Cell Factories 23:35. https://doi.org/10.1186/s12934-024-02304-5
• Değerli, N. (2019). Moda endüstrisinin giyilebilir teknoloji tasarımları, Uluslararası Bilimsel Araştırmalar Dergisi. 4(1), 50-65. https://doi.org/10.21733/ibad.500289
• Demir, Z. (2017). Aculepeira Ceropegia (Walckenear, 1802) (Araneae: Araneidae) türünde kitin ve kitosan izolasyonu ve fizikokimyasal karakterizasyonu. [Yüksek Lisans Tezi, Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü].
• Ersanlı, C. C. (2016). Fizik eğitiminde biyomimikri verileri kullanımın yeri ve önemi. 5th International Vocational Schools Symposium, 588, Prizren.
• Garb, J. E., Haney, R. A., Schwager, E. E., Gregorič, M., Kuntner, M., Agnarsson, I., & Blackledge, T. A. (2019). The transcriptome of Darwin’s bark spider silk glands predicts proteins contributing to dragline silk toughness. Communications Biology, 2(1), 1-8. https://doi.org/10.1038/s42003-019-0496-1.
• Gök, Z., Yiğitoğlu, M., & Vargel, İ. (2019). İpek serisin ve potansiyel uygulama alanları, Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, (15), 450-459. https://doi.org/10.31590/ejosat.517226.
• Gu, Y., Yu, L., Mou, J., Wu, D., Zhou, P., & Xu, M., (2020). Mechanical properties and application analysis of spider silk bionic material, e-Polymers, 20(1), 443-457. https://doi.org/10.1515/epoly-2020-0049.
• Gürarslan, A. (2012). Tekstilcilerden Türk Diline Armağanlar, Türk Dili Dergisi, 103(728), 81-89.
• Heidebrecht, A., Eisoldt, L., Diehl, J., Schmidt, A., Geffers, M., Lang, G., & Scheibel, T. (2015). Biomimetic fibers made of recombinant spidroins with the same toughness as natural spider silk, Advanced Materials, 27(13), 2189-2194. https://doi.org/10.1002/adma.201404234.
• Heim, M., Keerl, D., & Scheibel, T. (2009). Spider silk: from soluble protein to extraordinary fiber. Angewandte Chemie International Edition, 48(20), 3584-3596. https://doi.org/10.1002/anie.200803341.
• Hinman, M. B., Jones, J. A., & Lewis, R. V. (2000). Synthetic spider silk: a modular fiber. Trends in Biotechnology, 18(9), 374-379. https://doi.org/10.1016/S0167-7799(00)01481-5.
• Hsia, Y., Gnesa, E., Jeffery, F., Tang, S., & Vierra, C. (2011). Spider silk composites and applications. J. Cuppoletti (ed.), Metal, Ceramic and Polymeric Composites for Various Uses, 2, 303-324. https://www.intechopen.com/chapters/16711
• Hsia, Y., Gnesa, E., Pacheco, R., Kohler, K., Jeffery, F., & Vierra, C. (2012). Synthetic spider silk production on a laboratory scale. Journal of Visualized Experiments, (65):4191. https://doi.org/: 10.3791/4191.
• Iqbal, S. (2023, Ekim 25). Genetiği Değiştirilmiş İpekböcekleri Saf Örümcek İpeği Üretebiliyor! Evrim Ağacı. https://evrimagaci.org/genetigi-degistirilmis-ipekbocekleri-saf-orumcek-ipegi-uretebiliyor-15900.
• İkinci, Ö. (2010). Plastikten esnek, çelikten dayanıklı, sırrı çözülemeyen biyopolimer, örümcek ipeği. Bilim ve Teknik Dergisi, 507, 26-33.
• Kalaycı, E., Avinç, O., & Yavaş, A. (2016). Yarının yüksek performanslı liflerine doğal bir yaklaşım: balık asalağı salgısı lifleri. Marmara Fen Bilimleri Dergisi, 27(4), 135-142. https://doi.org/10.7240/mufbed.94326.
• Karakan, G. (2009). Teknik tekstillerin koruyucu yapılarda kullanımı. Tekstil Teknolojileri Elektronik Dergisi, 3(1), 65-70.
• Lewis, R. (1996). Unraveling the weave of spider silk. Bioscience, 46(9):636-638. https://doi.org/10.2307/1312891.
• Li, H., Chen, S., Piao, S., An, T., & Wang, C. (2021). Production of artificial synthetic spidroin gene 4S-transgenic cloned sheep embryos using somatic cell nuclear transfer. Animal Biotechnology, 32(5), 616-626. https://doi.org/10.1080/10495398.2020.1737098
• Liu, X., & Zhang, K. Q. (2014). Silk fiber-molecular formation mechanism, structure-property relationship and advanced applications. C. Lesieur (Ed.), Oligomerization of Chemical and Biological Compounds, 3, 69-102. IntechOpen. https://dx.doi.org/10.5772/57611.
• Mi, J., Zhou, Y., Ma, S., Zhou, X., Xu, S., Yang, Y., Sun, Y., Xia, Q., Zhu, H., Wang, H., Tian, L., & Meng, Q. (2023). High-strength and ultra-tough whole spider silk fibers spun from transgenic silkworms. Matter, 6(10), 3661-3683. https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.08.013.
• Öcal, İ. Ç., Kayhan, N. Y., & Aktaş, Ü. H. (2021). Argiope bruennichi (Scopoli, 1772) örümceğinin ağ yapısı ve örü aygıtının morfolojisi. Turkish Journal of Agriculture-Food Science and Technology, 9(3), 577-583. https://doi.org/10.24925/turjaf.v9i3.577-583.4073.
• Özdoğan, A., Çalışkan Koca, U., Durbilmez, G. D., & Küçük, Ş. (2021). İpek proteinin sağlık alanında kullanımı. Acta Biologica Turcica, 34(2),105-113.
• Porter, D., Guan, J., & Vollrath, F. (2013). Spider silk: super material or thin fibre? Advanced Materials, 9(25), 1275-1279. https://doi.org/10.1002/adma.201204158
• Popular Science Türkiye-Ağ Kıyafeti: Biyotek Örümcek Ağından Yapılan Yeni Palto. (2015, 1 Kasım). https://popsci.com.tr/ag-kiyafeti-biyotek-orumcek-agindan-yapilan-yeni-palto/.
• Rat, C., Heiby, J. C., Bunz, J. P., & Neuweiler, H. (2018). Two-step self-assembly of a spider silk molecular clamp. Nature Communications, 9(1), 1-11. https://doi.org/10.1038/s41467-018-07227-5.
• Salehi, S., Koeck, K., & Scheibel, T. (2020) Spider silk for tissue engineering applications. Molecules, 25(3), 1-20. https://doi.org/10.3390/molecules25030737.
• Saravanan, D. (2006). Spider silk-structure, properties and spinning. Journal of Textile and Apparel, Technology and Management, 5(1), 1-20.
• Sevencan, H., & Üreyen, M.E. (2020). Tekstil ve giysi tasarımında biyomimetik uygulamaları. Uluslararası Disiplinlerarası ve Kültürlerarası Sanat, 5(10), 101-118.
• Singha, K., Maity, S., & Singha, M. (2012). Spinning and applications of spider, Frontiers in Science, 2(5): 92-100. https://doi.org/10.5923/j.fs.20120205.02
• Sponner, A., Schlott, B., Vollrath, F., Unger, E., Grosse, F., & Weisshart, K. (2005). Characterization of the protein components of Nephila clavipes dragline silk, Biochemistry, 44(12),4727-4736. https://doi.org/10.1021/bi047671k.
• Su, Y., Shi, S., Wang, C., Wang, Z., Li, P., Zhang, S., Fei B., Yang Z., Hu J., (2024) Spider silk-inspired tough materials: Multi-pathway synthesis, advanced processing, and functional applications. Nano Today, V. 55, 102188 https://doi.org/10.1016/j.nantod.2024.102188
• Şevkay, I., & Bayburtlu, İ. (2020). Sürdürülebilirlik bağlamında inovatif yaklaşımlar ve modüler giyim tasarımı, Yıldız Journal of Art And Design, 7(2), 150-176. https://doi.org/10.47481/yjad.772513.
• Thirugnanasambantham, K. G., Vaasan, R. K., Kishore, S., Anirudh, S., Bala Kumaran, K., & Kumar, P. M. (2020). Spider silk fiber: A brief review on molecular structure, properties and applications of spider silk, Proceedings of Internatıonal Conference on Recent Trends in Mechanical and Materials Engineering: Icrtmme 2019, AIP Publishing LLC: In AIP Conference Proceedings, (V. 2283, 020050), 1-10. India. https://doi.org/10.1063/5.0024918.
• Vollrath, F. (1999). Biology of spider silk. International Journal of Biological Macromolecules, 24(2-3), 81-88. https://doi.org/10.1016/S0141-8130(98)00076-2.
• Wagh, M. (2021, October 27). Bacteria make ‘spider silk’ that’s stronger than steel. Science News Explores. https://www.snexplores.org/article/innovation-bacteria-spider-silk-stronger-steel-chemistry-engineering.
• Watanabe, Y., & Arakawa, K. (2023). Molecular mechanisms of the high performance of spider silks revealed through multi-omics analysis. Biophysics and Physicobiology, 20(1), e200014. 1-11. https://doi.org/10.2142/biophysico.bppb-v20.0014.
• Whittall, D. R., Baker, K. V., Breitling, R., & Takano, E. (2020). Host systems for the production of recombinant spider silk. Trends in Biotechnology, 39(6), 560-573. https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2020.09.007.
• Winkless, L. (2020). Spider silk: The future of antimicrobial materials, Materials Today, 41:1. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2020.09.026
• Wu, Y., Shah, D. U., Liu, C., Yu, Z., Liu, J., Ren, X., Rowland, M. J., Abell, C., Ramage, M. H., & Scherman, O. A. (2017). Bioinspired supramolecular fibers drawn from a multiphase self-assembled hydrogel, Proceedings of The National Academy of Sciences, 114(31): 8163-8168. https://doi.org/10.1073/pnas.1705380114.
• Xu, G., Toh, G. W., Du, N., & Liu, X. Y. (2012). Spider silk: the toughest natural polymer, In Natural Polymers, 275-304. https://doi.org/10.1039/BK9781849734028-00275.
• Yang, Y., Greco, G., Maniglio, D., Mazzolai, B., Migliaresi, C., Pugno, N., & Motta, A. (2020). Spider (Linothele megatheloides) and silkworm (Bombyx mori) silks: Comparative physical and biological evaluation, Materials Science and Engineering: C, 107, 110197. 1-10. https://doi.org/10.1016/j.msec.2019.110197.
• Zhang, X., Xia, L., Day, B. A., Harris, T. I., Oliveira, P., Knittel, C., Licon, A. L., Gong, C., Dion, G., Lewis, R. V., & Jones, J. A. (2019). CRISPR/Cas9 initiated transgenic silkworms as a natural spinner of spider silk, Biomacromolecules, 20(6): 2252-2264. https://doi.org/10.1021/acs.biomac.9b00193.