أين حرير العنكبوت الصناعي؟ (الجزء الأول)

تُرجمت هذه المقالة آليًا. النسخة الأصلية متاحة باللغة الإنجليزية.

ألياف الأحلام

يتدلّى العنكبوت في مركز شبكته، وإذا سلّطت عليه ضوء مصباح يدوي بالزاوية المناسبة، التقط الحرير الضوء كما تفعل كابلات الألياف الضوئية. وهو، بمعنى ما، كذلك فعلًا: كل خيط أرفع من شعرة الإنسان، ومع ذلك قادر على إيقاف نحلة منطلقة بأقصى سرعتها دون أن ينقطع. تنثني الشبكة وتمتص الصدمة وتمسك بالنحلة بدلًا من أن تقذفها إلى الخارج. يشعر العنكبوت بالاهتزاز فيأتي لجمع صيده.

هذا العرض الفيزيائي الصغير شغل علماء المواد وأسر عقولهم طوال ثلاثين عامًا.

ولهذا الهوس منطقه. تبلغ مقاومة الشد لحرير خيط الأمان (dragline) لدى العنكبوت نحو 1.0-1.5 غيغاباسكال، أي ما يضاهي الفولاذ عالي الجودة، وكثافته لا تتجاوز سدس كثافة الفولاذ تقريبًا، ما يعني أن خيط حرير العنكبوت أقوى بخمس مرات من وزن مماثل من الفولاذ. وهو أشدّ متانة من الكيفلار، المادة المستخدمة في السترات الواقية من الرصاص، إذ يمتص قدرًا أكبر من الطاقة قبل أن ينقطع. ويمكنه أن يتمدد بما يتراوح تقريبًا بين ربع طوله ونصفه قبل الانقطاع، محوّلًا معظم الطاقة الممتصة إلى حرارة بدلًا من أن يرتد إلى وضعه الأول.

وتصنعه أنثى العنكبوت في بطنها، في درجة حرارة الغرفة، من حشرات مهضومة وماء، بلا مصنع ولا نفط ولا أحواض من الأحماض المركّزة الساخنة.

وعلى مدى العقود الثلاثة الماضية، ضخّت الحكومات والمستثمرون والمقرضون مئات الملايين من الدولارات، بل أكثر من مليار دولار وفق بعض التقديرات، في شركات تحاول استنساخه. ولم تتمكن أيٌّ منها حتى الآن من تحويله إلى ألياف صناعية.

الكأس المقدسة التي تأبى أن تُكتشف

في عام 1990، نشر راندي لويس من جامعة وايومنغ تسلسل جين لحرير خيط الأمان لدى العنكبوت. وبعد عقد من الزمن، في يناير/كانون الثاني 2000، كشفت شركة «نيكسيا بيوتكنولوجيز» (Nexia Biotechnologies) في مونتريال عن ماعز «بايوستيل» (BioSteel) المعدّلة وراثيًا لتفرز بروتين حرير العنكبوت في حليبها. ضجّت وسائل الإعلام بالحديث عن الدروع الواقية اللينة و«حليب الفولاذ».

واهتمت وكالات الدفاع بالأمر، وبدأ المستثمرون يحررون الشيكات. كان ذلك قبل أكثر من ربع قرن.

وما زلت لا تستطيع شراء سترة واقية من الرصاص مصنوعة من حرير العنكبوت. ولا تستطيع شراء حبال من حرير العنكبوت، ولا حبال مظلات منه، ولا خيوط جراحية منه على نطاق واسع. هناك حفنة من الشركات ستبيعك شيئًا مصنوعًا من حرير العنكبوت المؤتلف أو من بروتينات شبيهة بالحرير، كربطة عنق بإصدار محدود، أو سترة شتوية فاخرة، أو قميص من توقيع مصمم، أو سوار ساعة، أو كريم للبشرة، لكن بكميات صغيرة وبأسعار مرتفعة، وغالبًا ممزوجًا بألياف تقليدية. لا أحد يبيعه بآلاف الأطنان، على النحو الذي تُباع به الألياف التي كان يُفترض أن يحل محلها.

اللغز هو أننا نفهم بتفصيل لافت ما الذي يمنح حرير العنكبوت خصائصه. لقد فككنا شيفرة جيناته، ورسمنا خريطة بنيته الجزيئية، ونشرنا آلاف الأوراق العلمية المحكّمة التي تحلل بنيته. ونجحنا في إنتاج البروتين في البكتيريا والخمائر والماعز وديدان القز، بل وحتى في البرسيم الحجازي المعدّل وراثيًا.

ومع ذلك، وبعد ثلاثة عقود من الجهود، ومئات الملايين من الاستثمارات، وقدر كبير من التقنيات الحيوية المتطورة، يبقى حرير العنكبوت مادة متخصصة محدودة الانتشار لا أليافًا صناعية.

فشيء مفهوم بهذا العمق لا يزال عصيًّا على الإنتاج على نطاق صناعي خارج جسم العنكبوت.

لماذا أراده الجميع بهذا الإلحاح

لفهم هذا الهوس، عليك أن تفهم الفجوة في عالم المواد التي بدا أن حرير العنكبوت قد صُمّم خصيصًا لسدّها.

تقوم الحضارة الحديثة على عدد صغير على نحو مفاجئ من المواد عالية الأداء. إذا احتجت إلى شيء خفيف وعالي الجساءة، فإنك تستخدم ألياف الكربون، وهي رائعة للدراجات والطائرات لكنها هشّة. وإذا احتجت إلى شيء يمتص الصدمات دون أن ينهار، فإنك تستخدم الكيفلار؛ فهو ينقذ الأرواح في الدروع الواقية، لكنه يتحلل في ضوء الشمس ويفقد قوته ببطء إذا بقي ساخنًا. وإذا احتجت إلى شيء قوي جدًا نسبةً إلى وزنه، فإنك تستخدم البولي إيثيلين فائق الوزن الجزيئي، وهو ممتاز للحبال والقفازات المقاومة للقطع، لكنه يزحف تحت الحمل المستمر ويذوب عند نحو 150 درجة مئوية.

كل مادة تقايض خاصيةً بأخرى: فالقوة العالية تقترن عادةً بالهشاشة، والمتانة بالوزن، والمرونة بالضعف. وبدا أن حرير العنكبوت يكسر هذه القواعد.

فحرير خيط الأمان يحتل موقعًا غير مألوف على منحنى القوة والمتانة عجزت الألياف المصنّعة طويلًا عن بلوغه.

فالخيط منه، وهو الحرير الذي يستخدمه العنكبوت حبلَ نجاة وفي الخيوط الشعاعية لشبكته، يتمتع بقوة تضاهي الفولاذ عالي الجودة (وتفوقه بعدة أضعاف نسبةً إلى الوزن)، ويتمتع في الوقت نفسه بمتانة تتجاوز متانة الكيفلار.

أوجد هذا التلاقي لحظة نادرة من الإجماع بين صناعات شديدة التباين. أرادت وزارة الدفاع الأمريكية (البنتاغون) دروعًا واقية أخف وزنًا قادرة على امتصاص قدر أكبر من طاقة الرصاص. وأراد مصنّعو النسيج أقمشة عالية الأداء قابلة للتحلل الحيوي لا تحتاج إلى النفط. وأرادت شركات الأجهزة الطبية خيوطًا جراحية متوافقة حيويًا لا يرفضها الجسم.

وأراد مهندسو الطيران والفضاء حبال ربط ومواد مركّبة فائقة الخفة. وكل فئة من هذه الفئات أرادت حرير العنكبوت.

بدت المادة وكأنها صُنعت خصيصًا للقرن الحادي والعشرين: أقوى مما نستطيع تخليقه، ومنتَجة على نحو مستدام، ومتوافقة مع الأنسجة الحية. وفي أيام الازدهار التي عاشتها ثورة التقنية الحيوية، حين كان العلماء قد بدؤوا لتوّهم يتعلمون تحرير الجينات كما تُحرَّر الشيفرات البرمجية، بدا حرير العنكبوت دليلًا على أن الطبيعة قد حلّت بالفعل أصعب مشكلاتنا في مجال المواد. وكل ما علينا فعله هو نسخ الوصفة.

كان المنطق مغريًا: فالتطور ظل يصقل الحرير قرابة 400 مليون سنة. وكل ما نحتاج إليه هو استعارة المخطط.

«المادة المثالية» التي لم تكن كذلك

تبدأ الضجة بعبارة تسمعها دائمًا، «أقوى من الفولاذ»، وهي صحيحة تقنيًا لكنها مضللة.

حرير العنكبوت أقوى من الفولاذ نسبةً إلى الوزن، وهو ما يسميه المهندسون القوة النوعية. وهذا أمر بالغ الأهمية إذا كنت تبني طائرات أو مركبات فضائية، حيث يُحسب لكل غرام حسابه. لكنه أقل أهمية بكثير إذا كنت تبني جسرًا أو مبنى، حيث تحتاج إلى القوة المطلقة والصلابة.

ينظر علماء المواد إلى الأداء من خلال ثلاثة أبعاد رئيسية: القوة (مقدار الحمل الذي تتحمله المادة، نسبةً إلى سُمكها، قبل أن تنكسر)، والجساءة (مدى مقاومتها للتمدد أو الانحناء)، والمتانة (مقدار الطاقة التي تستطيع امتصاصها قبل أن تنهار). ويمكنك تصوّر ذلك على أنه مقايضة ثلاثية. تهيمن ألياف الكربون على زاوية القوة العالية والجساءة العالية، لكنها تتحطم عند الصدمة. ويتسيّد الكيفلار منطقة المتانة العالية، لكنه ليس جاسئًا بشكل خاص. أما المطاط فمرن لكنه ضعيف.

يجمع حرير العنكبوت بين قوة جيدة ومتانة استثنائية: فهو يمتص كميات كبيرة من الطاقة دون أن ينقطع، ما يجعله مثاليًا لإيقاف الحشرات الطائرة، أو نظريًا، لتبديد قوى الصدمات.

لكنه أبعد ما يكون عن جساءة ألياف الكربون، بل وحتى الفولاذ عالي الجودة. ففي التطبيقات التي تتطلب هياكل صلبة، كهياكل الطائرات ومكونات السيارات ومواد البناء، لا يستطيع حرير العنكبوت أن ينافس. إذ سينثني ويتشوه حيث تحتاج إلى شيء يحافظ على شكله تحت الحمل.

ثم هناك مشكلة الثبات الحراري والكيميائي. فالكيفلار لا ينصهر، بل يتحلل فقط فوق نحو 425 درجة مئوية، وإن كان مصنّفًا للاستخدام طويل الأمد عند ما بين 150 و180 درجة مئوية تقريبًا. وتتحمل ألياف الكربون حرارة أعلى من ذلك في غياب الأكسجين. أما حرير العنكبوت فبروتين. يحتفظ خيط الأمان الجاف بقوته من درجات أدنى بكثير من التجمد حتى 150 درجة مئوية على الأقل، لكن الماء يجعله ينكمش ويلين، وهذا يظل عائقًا جديًا مقارنةً بالأراميدات في البيئات القاسية. وإذا عرّضته للأشعة فوق البنفسجية لفترات طويلة فإنه يتحلل. وإذا عرّضته لمذيبات معينة فإنه يذوب.

لم تذكر الحملات التسويقية الأولى شيئًا من هذا كله. فقد أوحت رواية «المادة المعجزة» بتفوق شامل: أن حرير العنكبوت أفضل من البدائل الاصطناعية في كل المجالات. وأوحت بأننا ما إن نكتشف طريقة صنعه حتى تتحول إليه كل التطبيقات عالية الأداء تلقائيًا.

كان هذا تبسيطًا، وهو يشير إلى أمر أعمق: إغواء المحاكاة الحيوية.

ثمة اعتقاد يكاد يكون رومانسيًا في علم المواد بأن الطبيعة قد حلّت بالفعل أصعب مشكلاتنا، وأن التطور، بمئات ملايين السنين من البحث والتطوير، قد بلغ حلولًا مُحسَّنة بالكاد نستطيع تخيّلها. وأحيانًا يكون هذا صحيحًا. فشريط الفيلكرو استُلهم من بذور الأرقطيون الشائكة. والأسطح المستوحاة من جلد القرش تقلل مقاومة السحب. وأقدام الوزغ ألهمت مواد لاصقة جديدة.

لكن حرير العنكبوت تحوّل إلى حكاية تحذيرية، المثال الذي كفّ فيه «تقليد الطبيعة» عن أن يكون هندسة ذكية وصار فخًا. فما حسّنه التطور شيء آخر: مفترس منفرد يحتاج إلى اصطياد الحشرات الطائرة باستخدام بنية يستطيع إنتاجها من جسمه، وإعادة تدويرها عند تلفها، ونشرها دون طاقة خارجية أو أدوات.

لم يعمل التطور على تحسين: المصانع، أو هوامش الربح، أو الإنتاجية الصناعية، أو مراقبة الجودة، أو الموافقات التنظيمية، أو التكلفة لكل كيلوغرام.

لا يكترث العنكبوت بأن إنتاجه للحرير «غير فعّال» وفق المعايير الصناعية، ولا بأن العملية لا تنجح إلا على نطاقات ضئيلة، ولا بأن كل خيط يتطلب دقة على المستوى النانوي.

فهو لا يعمل وفق مواعيد نهائية، ولا يدفع أجورًا، ويعيد تدوير أخطائه بأكلها. أما المصنع فلا يملك شيئًا من هذه الرفاهية.

الدورة التي لا تنكسر

ومع ذلك، يعود العنوان نفسه كل خمس إلى سبع سنوات: «العلماء يبتكرون حرير عنكبوت فائق القوة». وتتبع البيانات الصحفية قالبًا واحدًا. يعلن فريق بحثي عن اختراق في إنتاج البروتين، أو عن تحسّن هامشي في خصائص الألياف، أو عن تقنية غزل جديدة مستوحاة من المغازل لدى العنكبوت. فيصفه الصحفيون بأنه «يغيّر قواعد اللعبة».

وتنشر مجلات الدفاع تقارير حماسية لاهثة، وتحدد شركات رأس المال الجريء مواعيد لاجتماعات العروض الاستثمارية. ثم لا يتغير شيء.

الشركات التي جمعت الملايين تتحول نحو «أسواق مجاورة»، وهو ما يعني عادةً مستحضرات التجميل أو العناية بالجروح بدلًا من الدروع الواقية. وينشر الباحثون نتائجهم، ويشيرون إلى أن «التوسع إلى النطاق الصناعي لا يزال يمثل تحديًا»، ثم يعودون إلى مختبراتهم.

تكررت هذه الدورة مرات كافية لتصبح نوعًا قائمًا بذاته من الصحافة العلمية: المادة المعجزة التي تفصلنا عنها دائمًا خمس سنوات.

جزء من سبب تكرار ذلك بنيوي.

فشبكات العنكبوت مذهلة بصريًا. وتكاد تصوّر نفسها بنفسها. ومقطع العنكبوت في مواجهة النحلة مادة لا تُقاوَم للأفلام الوثائقية العلمية. وعبارة «أقوى من الفولاذ وأخف من الريشة» ذهب تسويقي خالص. أضف إليها كلمة «المحاكاة الحيوية» وستحصل على قصة تستهوي التقنيين والمدافعين عن البيئة والمهتمين باستشراف المستقبل في آن واحد.

وقد جمع حرير العنكبوت كل المحطات التي يبحث عنها المستثمر في التقنيات العميقة: مادة حيوية ثورية، وسوق إجمالية ضخمة قابلة للاستهداف في الدفاع والطب والنسيج، وإنتاج مستدام، ومسار واضح نحو التسويق التجاري.

وكل بضع سنوات ينجح فريق ما في تحقيق شيء جديد. فيرفع مردود التعبير عن البروتين في الخميرة، أو يمنعه من التكتل في المحلول، أو يصمم مغزلًا اصطناعيًا يقترب قليلًا من العملية الطبيعية لدى العنكبوت.

هذه تقدمات حقيقية، وهي تدفع المجال إلى الأمام. فالعرض المختبري الذي يُظهر تحسنًا بنسبة 10% في قوة الألياف تقدم علمي مشروع. لكن النتيجة نفسها تُغلَّف في بيان صحفي عن «الجيل القادم من الدروع الواقية»، فتبدأ الدورة من جديد.

المشكلة أن دفع العلم إلى الأمام ودفع التصنيع إلى الأمام ليسا الشيء نفسه. فالتقدم العلمي يُقاس بالمنشورات والاستشهادات. أما التقدم الصناعي فيُقاس بالأطنان سنويًا وبالدولارات لكل كيلوغرام. والفجوة بين إثبات المفهوم في مختبر جامعي ومنتج مربح يُشحن على نطاق واسع هي حيث مات حرير العنكبوت مرارًا وتكرارًا طوال ثلاثة عقود.

الفجوة التي لا تُردم

نحن نعرف كيف ننتج بروتين حرير العنكبوت بكميات صناعية باستخدام كائنات معدّلة وراثيًا. وقد أثبتت شركات ذلك عمليًا. البروتين موجود. ويمكنك شراؤه، بكميات محدودة، من موردين متخصصين.

أما ما لا نعرفه فهو كيف نحوّل ذلك البروتين إلى ألياف تحافظ على الخصائص التي تجعل حرير العنكبوت مميزًا، بتكلفة ذات جدوى تجارية، وبالسرعة التي يتطلبها الإنتاج الصناعي، وبالاتساق الذي تشترطه الأسواق الخاضعة للتنظيم.

تلك الفجوة، بين حوض من محلول بروتيني باهظ الثمن وبكرة من الألياف القابلة للاستخدام، ابتلعت مئات الملايين من الدولارات وآلاف السنوات من عمل الباحثين.

تفعل أنثى العنكبوت ذلك في بطنها خلال جزء من الثانية، ونحن نعرف كيف، بمعنى من المعاني.

فنحن نستطيع وصف العملية بتفصيل استثنائي. وغدة الحرير لدى العنكبوت أعجوبة كيميائية وميكانيكية: تضبط الرقم الهيدروجيني، وتدير تدرجات الأيونات، وتطبق قوى قص دقيقة، وتطلق التجميع الذاتي الجزيئي، كل ذلك في آن واحد، داخل غدة وقناة صغيرتين بما يكفي لتتسعا في بطن عنكبوت. وقد رسمنا خريطة لكثير من ذلك بدقة جزيئية.

ما لا نستطيعه هو محاكاة هذه العملية في مصنع، بالسرعات والكميات اللازمة لمنافسة النايلون، الذي يكلّف راتنجه الخام نحو دولارين للكيلوغرام، والذي ننتجه بكميات تُقاس بملايين الأطنان سنويًا.

فمغزل العنكبوت ينجح لأنه صغير، ولأنه يتعامل مع أحجام ضئيلة، ولأنه مدمج في نظام حي يوفر تحكمًا كيميائيًا حيويًا دقيقًا. وإذا كبّرته، أي جعلته أكبر وأسرع ومتوافقًا مع المعدات الصناعية، تنهار الفيزياء. تتغير ديناميكا الموائع. وظروف التدفق التي ترصف البروتينات برفق على مقياس العنكبوت، أي مزيج دقيق من القص والشد يتزامن مع محفزات كيميائية، ثبت أن إعادة إنتاجها بسرعات المصانع صعبة للغاية. وتدرجات الأيونات التي تنجح في قناة مجهرية يصبح الحفاظ عليها في أنبوب أصعب بكثير.

لكن فهمنا للآليات لم يُترجَم إلى هندسة. فحل العنكبوت ملائم لكي يكون عنكبوتًا، وسيئ الملاءمة لكي يكون مصنعًا.

أمضت صناعة حرير العنكبوت ثلاثة عقود في مواجهة هذه المشكلة: المادة استثنائية، لكن عملية التصنيع التي تحوّل البروتين السائل إلى ألياف صلبة تتطلب مستوى من التحكم على المقياس النانوي لا تستطيع أفضل معداتنا الصناعية بلوغه بسرعات مجدية اقتصاديًا.

حتى الآن، يمكنك الحصول على ألياف بجودة حرير العنكبوت بسرعات العنكبوت، فتنتج غرامات يوميًا بتكاليف تُقاس بآلاف الدولارات للكيلوغرام، أو يمكنك الحصول على سرعات صناعية، فتنتج أطنانًا يوميًا من ألياف فقدت الخصائص التي جعلت حرير العنكبوت مميزًا في المقام الأول. فتنخفض القوة والمتانة، وينتهي بك المطاف بألياف اصطناعية باهظة الثمن ومتوسطة الجودة لا تستطيع منافسة الكيفلار ولا حتى النايلون العادي.

لقد كانت مقايضة بين الجودة والنطاق، ولم يُثبت أحد بعدُ عملية تفلت منها.

لماذا يتجاوز هذا الأمر حرير العنكبوت

لقد صمد العلم. فحرير العنكبوت ينجح، والعناكب تصنعه باستمرار وبموثوقية، في كل النظم البيئية البرية على الأرض تقريبًا.

إنها قصة الفجوة بين الإنجاز العلمي والجدوى التجارية، بين ما هو ممكن في المختبر وما هو ممكن في السوق. إنها قصة عن سبب كون «تقليد الطبيعة» استراتيجية مغرية لكنها مضللة في الغالب بالنسبة إلى المهندسين. وهي قصة التنافر البنيوي بين الجداول الزمنية لرأس المال الجريء ودورات تطوير المواد، التي تقدّرها «مبادرة جينوم المواد» الأمريكية بما بين 10 و20 عامًا من الاكتشاف إلى السوق.

وهي قبل كل شيء قصة الصعوبة المتراكمة في حل خمس مشكلات صعبة في آن واحد: إنتاج البروتين بتكلفة زهيدة، والحفاظ على بنيته، وغزله أليافًا بسرعات صناعية، وضمان الاتساق من دفعة إلى أخرى، وفعل كل ذلك بتكلفة قادرة على منافسة مواد حظيت بنصف قرن أو أكثر من تحسين عمليات التصنيع.

فقد صرف التركيز الشديد على محاكاة الطبيعة انتباهَ الصناعة عن الهدف الفعلي: ابتكار ألياف عالية الأداء يقبل الناس على شرائها. فالمشترون سيحكمون على تلك الألياف بأدائها وتكلفتها، لا بما إذا كانت قد جاءت من جين عنكبوت أو من نهج اصطناعي بالكامل.

تعلمت الشركات الناجية هذا الدرس. فقد تخلت عن نهج المحاكاة الحيوية الخالصة القائم على محاولة إعادة إنتاج عملية العنكبوت بإتقان تام، لصالح الاستلهام الحيوي: استعارة المبادئ مع استخدام أساليب تصنيع مختلفة كليًا. وتحول بعضها بعيدًا عن الألياف بالجملة تمامًا، مركّزًا بدلًا من ذلك على التطبيقات الطبية ذات الهوامش المرتفعة، حيث يمكن أن تُباع بضعة غرامات من المادة في غرسة جراحية بآلاف الدولارات، ما يجعل تكلفة الإنتاج غير ذات أهمية.

وتجاوز آخرون بروتينات العنكبوت، فصمموا بروتينات جديدة (وفي المختبرات الأكاديمية، بوليمرات اصطناعية) تستعير البنية الجزيئية للحرير: البنية الكتلية، والتوازن بين الأجزاء البلورية وغير المتبلورة. لن تكون هذه المواد أبدًا حرير عنكبوت «حقيقيًا»، لكنها قد تصل إلى السوق.

ما زال العنكبوت يتدلى في شبكته، يلفّ فريسته بمادة نستطيع أن نُعجب بها لكننا لا نستطيع إنتاجها على نطاق واسع. وبعد ثلاثين عامًا، ومئات الملايين من الدولارات من الاستثمارات، وآلاف الأوراق البحثية، صار واضحًا أن أكثر الحلول أناقة في الطبيعة قد يكون نموذجًا رديئًا للصناعة.

أرادت الصناعة ليفًا تستطيع إنتاجه بالأطنان، بتكلفة زهيدة ومتطابقًا في كل مرة، ولا شيء في بيولوجيا العنكبوت مهيّأ لذلك.

هذا التنافر، أكثر من أي مشكلة تقنية بعينها، هو ما يفسر لماذا لم تُثمر ثلاثون عامًا من العمل ليفًا صناعيًا.

تحفة الطبيعة: ما الذي يجعل حرير العنكبوت مميزًا إلى هذا الحد

لو أخذت خيطًا من حرير العنكبوت ونظرت إليه تحت المجهر الإلكتروني، لرأيت شيئًا يبدو عاديًا: أسطوانة ملساء منتظمة يبلغ قطرها نحو خمسة ميكرونات. لكن اقترب أكثر، إلى المستوى الجزيئي، وستجد بنية محكمة الترتيب.

ما تراه هو حل الطبيعة لمشكلة ما زال الكيميائيون الصناعيون عاجزين عن محاكاتها بالكامل: كيف تبني مادة قوية ومتينة ومرنة في آن واحد، باستخدام البروتين والماء فقط، في درجة حرارة الغرفة، وفي جزء من الثانية.

يكمن الجواب في طريقة ترتيب اللبنات الأساسية للبروتين، من الجزيء المفرد وصولًا إلى الخيط المكتمل.

المخطط الجزيئي

لنبدأ بالأساسيات. حرير العنكبوت بروتين، أو بدقة أكبر عائلة من البروتينات تُسمى «سبيدروينات» (spidroins). إذا درست الأحياء في المرحلة الثانوية، فلعلك تتذكر أن البروتينات سلاسل طويلة من الأحماض الأمينية تنطوي في أشكال محددة لتؤدي مهام مثل نقل الأكسجين أو تنظيم سكر الدم.

أما بروتينات حرير العنكبوت فتفعل شيئًا مختلفًا: إنها تشكّل بنى.

فالبروتينات البنيوية الأخرى، كالكولاجين في أوتارك والكيراتين في شعرك، مبنية هي الأخرى من سلاسل متكررة، وتستمد قوتها من الطريقة التي تلتف بها هذه السلاسل بعضها حول بعض وتترابط ترابطًا تشابكيًا.

أما السبيدروينات فتسلك طريقًا مختلفًا. إنها نمطية، أشبه بمكعبات «ليغو»، ذات أقسام متمايزة تؤدي وظائف مختلفة جذريًا. تخيّل سلسلة طويلة مؤلفة من مقاطع متناوبة: بعض الأقسام غني بالحمض الأميني ألانين، ومرتب في تسلسلات تميل بطبيعتها إلى تكوين صفائح بلورية متراصة. وأقسام أخرى غنية بالغلايسين، فتنشئ مناطق رخوة غير متبلورة تبقى مرنة.

تنطوي الكتل الغنية بالألانين فيما يسميه الكيميائيون صفائح بيتا: بنى مسطحة متطبقة تتراكب فيها سلاسل البروتين بعضها فوق بعض كالأوراق في رزمة، وتربطها روابط هيدروجينية. هذه المناطق البلورية قوية وجاسئة. إنها هيكل الليف العظمي، وهي التي توفر مقاومة الشد.

أما الكتل الغنية بالغلايسين فتفعل العكس. فهي تبقى رخوة وغير منتظمة، مكوّنةً مناطق غير متبلورة قادرة على التمدد والتشوه. هذه هي ممتصات الصدمات في الليف، وهي التي توفر المرونة وامتصاص الطاقة.

كل بنية على حدة ليست مميزة بشكل خاص. فالبروتينات البلورية قوية لكنها هشة، تنقصف تحت الإجهاد. والبروتينات غير المتبلورة مرنة لكنها ضعيفة، تتشوه تشوهًا دائمًا. لكن اجمعهما بنسب دقيقة، وعلى فواصل دقيقة، على امتداد السلسلة الجزيئية نفسها، وستحصل على مادة قوية وقادرة على التمدد في آن واحد.

تتحمل الكتل البلورية الحمل، بينما تتيح الكتل غير المتبلورة لليف أن يتمدد ويمتص الطاقة.

التراتبية التي تصنع الفارق

ولا يتوقف التنظيم عند المستوى الجزيئي. فحرير العنكبوت مبني تراتبيًا، ببنى متداخلة داخل بنى أكبر، وكل مستوى يضيف قدرات جديدة.

على المقياس النانومتري، تصطف جزيئات السبيدروين المفردة متوازية بعضها مع بعض، وتشكّل مناطقها البلورية نطاقات صلبة دقيقة مغروسة في مصفوفة غير متبلورة ألين. فكّر في الأمر كحديد التسليح في الخرسانة، إلا أن حديد التسليح والخرسانة مصنوعان هنا من الجزيء نفسه، لكنه منطوٍ بطريقة مختلفة.

تتحزم هذه الجزيئات المصطفة معًا في ليفات نانوية، أي كابلات بروتينية لا يتجاوز قطرها عشرات النانومترات. وتلتف الليفات النانوية معًا لتكوّن ليفات. وتصطف الليفات لتكوّن الليف النهائي.

في كل مستوى، يكون الاصطفاف حاسمًا. فإذا تبعثرت الجزيئات عشوائيًا، فقد الليف معظم قوته، إذ لا تستطيع المناطق البلورية تقاسم الحمل، وتنهار البنية بأكملها تحت الإجهاد. ويحقق العنكبوت درجة عالية من الاصطفاف بالتحكم في طريقة تدفق البروتين السائل عبر قناة الغزل، مستخدمًا قوى القص والمحفزات الكيميائية لدفع الجزيئات برفق إلى مواضعها قبل أن تتصلب.

وهنا يصطدم التصنيع البشري بأول جدار كبير. نستطيع صنع البروتين. بل نستطيع جعله ينطوي على نحو صحيح. ما لا نستطيعه بموثوقية وبسرعة وعلى نطاق واسع هو جعل ملايين جزيئات البروتين تصطف اصطفافًا مثاليًا أثناء انتقالها من الحالة السائلة إلى الصلبة.

يفعل العنكبوت ذلك في قناة تضيق حتى بضعة أجزاء من الألف من المليمتر، في جزء من الثانية، وفي درجة حرارة الغرفة.

لا يفعل ذلك على نحو مثالي، إذ يتفاوت الحرير الطبيعي كثيرًا من خيط إلى آخر، لكنه يفعله بما يكفي ليراهن عليه بحياته. ونحن نحاول مجاراته منذ ثلاثين عامًا.

لماذا تؤدي أنواع الحرير المختلفة مهامّ مختلفة

ينتج العنكبوت الواحد ما يصل إلى سبعة أنواع مختلفة من الحرير، كل منها ملائم لوظيفة محددة. فعنكبوت الشبكة الدائرية القابع في حديقتك يدير مصنعًا صغيرًا للمواد.

الإطار البنيوي للشبكة، أي الخيوط الشعاعية غير اللزجة وخطوط الدعم الخارجية، مصنوع من حرير الغدة الأمبولية الكبرى، ويُسمى أيضًا حرير خيط الأمان. هذا هو الحرير الذي يدرسه الجميع، «الألياف المعجزة». إنه قوي ومتين وجاسئ نسبيًا. ويستخدمه العنكبوت حبلَ أمان حين يتدلى من سطح ما، مؤتمنًا خيطًا واحدًا على حياته.

واللولب اللزج الذي يصطاد الحشرات هو الحرير اللزج، ويُصنع في غدد مختلفة. قوته نحو نصف قوة خيط الأمان، وجساءته أقل بآلاف المرات، فهو ليّن كشريط مطاطي، لكنه قادر على التمدد إلى عدة أضعاف طوله، ومكسوّ بقطيرات لزجة من البروتين السكري. ومهمته ليست الإمساك بالحشرة، بل حبسها مدة كافية حتى يصل العنكبوت.

ويُلفّ كيس البيض بالحرير الأسطواني، وهو متين لكنه مرن، ومُحسَّن لحماية البيض دون سحقه. وحين يلفّ العنكبوت فريسته، يستخدم الحرير العنبي (aciniform)، الذي يُنتَج بكميات كبيرة ويلتصق بنفسه بسهولة.

لكل نوع من الحرير تركيبة بروتينية مختلفة، ونسب مختلفة بين الأجزاء البلورية وغير المتبلورة، وخصائص ميكانيكية مختلفة. وبدلًا من مادة خارقة واحدة، يصنع العنكبوت عُدّة من المواد المتخصصة، كل منها مطابقة لمهمتها.

اختارت الصناعة التركيز على حرير خيط الأمان لسبب بسيط: إنه يملك أفضل الخصائص الشاملة، إذ يجمع بين القوة والمتانة والقابلية للتمدد. وهو أقرب نظير طبيعي لما قد تريده في الدروع الواقية أو المنسوجات عالية الأداء أو مكونات الطيران والفضاء.

لكن هذا التركيز على خيط الأمان يكشف أيضًا عن انحياز صناعي. فقد أردنا المادة الواحدة القادرة على فعل كل شيء، بديلًا شاملًا للكيفلار والنايلون وألياف الكربون.

فالطبيعة تصنع مواد متخصصة لمهام متخصصة، عند الطلب وبكميات ضئيلة.

ما الذي تعنيه «المتانة»

كلمة «قوي» تُستخدم باستهتار، لذا يفيد أن نحدد بدقة ما الذي يجعل حرير العنكبوت استثنائيًا.

في علم المواد، ثمة ثلاث خصائص حاسمة لكنها متمايزة:

القوة هي مقدار الحمل الذي تستطيع المادة تحمّله قبل أن تنكسر. اسحب كابلًا فولاذيًا حتى ينقطع؛ فالقوة عند لحظة الانقطاع، مقسومةً على مساحة مقطع الكابل، هي مقاومة الشد الخاصة به.

الجساءة هي مدى مقاومة المادة للتشوه. اضغط على لوح خشبي ثم على وسادة إسفنجية: الخشب أكثر جساءة لأنه بالكاد ينثني.

المتانة هي مقدار الطاقة التي تستطيع المادة امتصاصها قبل أن تنهار. وهذه هي الخاصية المهمة للدروع الواقية والحماية من الاصطدامات واصطياد الحشرات الطائرة. وتُقاس بالمساحة الواقعة تحت منحنى الإجهاد والانفعال، أي، في جوهر الأمر، مقدار الشغل الذي عليك بذله لكسر شيء ما.

ومن بين هذه الخصائص الثلاث، تتجلى فرادة حرير العنكبوت في المتانة.

يتمتع الكيفلار بمقاومة شد أعلى من حرير العنكبوت بالقيمة المطلقة: نحو 3.0-3.6 غيغاباسكال، مقارنةً بـ1.0-1.5 غيغاباسكال لحرير العنكبوت. والفولاذ أكثر جساءة. لكن أيًّا منهما لا يضاهي قدرة حرير العنكبوت على امتصاص الطاقة. تبلغ متانة الكيفلار ما بين 30 و50 ميغاجول لكل متر مكعب. أما أمتن حرير عنكبوت معروف، وهو حرير عنكبوت لحاء داروين، فقد يبلغ 350-520 ميغاجول/م³، أي أنه أمتن من الكيفلار بأكثر من عشر مرات.

حين تصطدم قوة ما بالكيفلار، يوقفها القماش بتوزيع الصدمة على النسيج، لكن ألياف الكيفلار نفسها تنهار بالتمزق. فالألياف تنقطع بفعل مزيج من الحمل الزائد في الشد وانسلال الألياف. وما إن تنقطع حتى تفقد السترة سلامتها، ويظل مرتديها يتلقى إصابة رضّية كبيرة.

أما حرير العنكبوت فسيتصرف نظريًا على نحو مختلف عند سرعات الصدم المتوسطة. فلأنه يجمع بين القوة والاستطالة العالية (إذ يستطيع التمدد بربع طوله أو أكثر قبل أن ينقطع)، فإنه يمتص طاقة الصدمة بالتشوه بدلًا من التحطم. توفر المناطق البلورية القوة، فتمنع الانهيار التام. وتنبسط المناطق غير المتبلورة، فتتمدد وتبدد الطاقة كأنها نوابض جزيئية.

على المستوى الجزيئي، يحدث ذلك عبر آلية تُسمى الروابط التضحوية. فالروابط الهيدروجينية التي تمسك بنية البروتين ضعيفة نسبيًا كلٌّ على حدة، وستنكسر تحت الإجهاد. لكن عددها بالملايين، ولا تنكسر كلها دفعة واحدة. بل تنكسر بالتتابع، وكل واحدة منها تمتص مقدارًا ضئيلًا من الطاقة. وتنبسط سلسلة البروتين بطريقة مضبوطة، كوسادة هوائية تنتفخ بعناية لا كبالون ينفجر.

لهذا يستطيع خيط واحد إيقاف نحلة دون أن ينقطع. يتمدد الحرير، فيمتص الطاقة الحركية للنحلة على مدى زمن ومسافة أطول، محوّلًا تلك الطاقة إلى تشوه جزيئي بدلًا من انهيار بنيوي. تنثني الشبكة ويصمد الحرير.

معظم تلك الطاقة الممتصة، أي نحو الثلثين، يتحول إلى حرارة بدلًا من أن يُختزَن، فلا تقذف الشبكة الحشرة إلى الخارج كالمنجنيق. والخيوط التي تحمل أحمالًا خفيفة تستعيد حالتها إلى حد كبير، أما تلك التي تمددت تمددًا مفرطًا فيستبدلها العنكبوت.

أما الكيفلار فيعمل بطريقة مختلفة. فهو لا يتمدد إلا بنسبة مئوية ضئيلة قبل أن ينقطع، لذا لا يستطيع امتصاص إلا قدر أقل بكثير من الطاقة لكل وحدة حجم، والألياف التي تنهار تبقى مقطوعة.

هذا المزيج من القوة العالية والاستطالة العالية والقدرة على التخلص من الطاقة على هيئة حرارة يمنح حرير العنكبوت موقعًا فريدًا ضمن نطاق الأداء. وقليلة هي المواد، طبيعيةً كانت أم اصطناعية، التي تقترب من متانته.

المشكلة بطبيعة الحال أن المتانة لا تُباع إن لم تستطع تصنيع المادة. وتصنيعها بالجودة التي يبلغها العنكبوت، بتلك البنية البلورية وغير المتبلورة، وذلك الاصطفاف، وتلك النسبة الدقيقة بين البنية والمرونة، يبقى التحدي الذي لم يُحَلّ بعد.

نعرف ما الذي يجعله ينجح: نستطيع رؤيته تحت المجاهر، وقياسه بحيود الأشعة السينية، ونمذجته بالكيمياء الحاسوبية.

آلاف الأوراق البحثية تشرح لماذا ينجح حرير العنكبوت، ومع ذلك ما زلنا عاجزين عن صنعه على نطاق صناعي.

أمضى التطور مئات ملايين السنين في إتقان قدرة العنكبوت التصنيعية، وما زلنا، بكل ما لدينا من تقنية حيوية وعلم مواد، عاجزين عن مجاراتها.

لقد تبيّن أن معرفة ما يجعل حرير العنكبوت مميزًا أمر مختلف تمامًا عن معرفة كيف تصنعه بنفسك، لا سيما حين تحتاج إلى فعل ذلك بربح، وعلى نطاق واسع، وفي مصنع يخضع للمستثمرين والعملاء لا للانتقاء الطبيعي.

بدأت أول محاولة جادة لسد تلك الفجوة بجين وقطيع من الماعز.

الموجة الأولى: وعود جريئة واختصارات فاشلة (التسعينيات والعقد الأول من القرن الحادي والعشرين)

في عام 1990، نشر عالم الأحياء الجزيئية راندي لويس من جامعة وايومنغ شيئًا بدا آنذاك كالصفحة الأولى من سيناريو خيال علمي: التسلسل الجيني لبروتين حرير خيط الأمان لدى العنكبوت. وفي غضون عقد، كانت شركة كندية ستستخدم جينات كجيناته لمحاولة إقناع الماعز بصنع حرير العنكبوت.

لا غزل حرير العنكبوت، فذلك سيأتي لاحقًا، ربما. بل جاءت أولًا المادة الخام: البروتين السائل الذي تنتجه العناكب في بطونها قبل تحويله إلى ألياف. وكان المنطق محكمًا. فالعناكب يأكل بعضها بعضًا، ما يجعل تربيتها في مزارع مستحيلة. أما الماعز فوديع ومنتج، وقد حسّنته آلاف السنين من الانتقاء الزراعي لينتج كميات كبيرة من البروتين في حليبه.

كل ما عليك فعله هو إدخال جين حرير العنكبوت في جينوم الماعز، وتوجيهه إلى الغدد الثديية، وترك البنية التحتية الطبيعية القائمة لإنتاج الألبان تقوم بالعمل.

وحين أنتجت الماعز فعلًا حليبًا يحتوي على بروتين حرير العنكبوت، انفجر الخبر. كانت هذه التقنية الحيوية وهي تفي بأجرأ وعودها: إعادة كتابة الشيفرة الوراثية لنوع ما لمنحه قدرات نوع آخر.

وكانت التغطية الإعلامية لاهثة كما هو متوقع. «“ماعز العنكبوت” المعدّلة وراثيًا لدى نيكسيا ستنتج حليبًا من الفولاذ»، هكذا أعلنت صحيفة «ذا غلوب آند ميل» الكندية في يناير/كانون الثاني 2000. واتصل متعاقدو الدفاع. وأرسل مصنّعو النسيج استفساراتهم.

وبدأ أصحاب رأس المال الجريء الحساب: إذا كانت الماعز الواحدة تنتج س لترًا من الحليب يوميًا، وكان الحليب يحتوي على ص في المئة من بروتين الحرير، فإن قطيعًا يضم ع رأسًا من الماعز يمكن أن ينتج… وعلى الورق، بدت الأرقام مذهلة.

كان يُفترض أن يكون الجين هو الجزء الصعب

لفهم تفاؤل مطلع التسعينيات، عليك أن تفهم أين كانت التقنية الحيوية في تلك اللحظة. كان مشروع الجينوم البشري جاريًا. وكانت الهندسة الوراثية تنتقل من إمكانية نظرية إلى أداة عملية. وقد نجح الباحثون في جعل البكتيريا تعبّر عن الإنسولين البشري، فأوجدوا مصدرًا متجددًا لدواء منقذ للحياة كان يتطلب من قبل استخلاصه من بنكرياس الأبقار والخنازير.

كان النموذج الفكري بسيطًا ومغريًا: الحمض النووي هو دليل التعليمات، وإذا استطعت قراءته استطعت نسخه، ثم لصقه في كائن حي جديد والضغط على زر «تشغيل».

بدا حرير العنكبوت حالة اختبار مثالية. فجينات الحرير كانت موصوفة جيدًا: تسلسلات طويلة متكررة تشفّر البنى البروتينية النمطية الموصوفة في الفصل السابق. وكان إدخال تلك الجينات في البكتيريا أو الخمائر أو الثدييات تقنية راسخة. وستصبح الكائنات مصانع حية، تضخ بروتين حرير العنكبوت مستخدمةً لا شيء سوى استقلابها المعتاد.

كان هذا هو الوعد الذي أطلق موجة من البرامج البحثية والشركات الناشئة.

وكانت فرضيته أن الهندسة الوراثية هي الجزء الصعب، وأن كل ما تبقى مجرد توسع صناعي. وتبيّن أن هذا الافتراض خاطئ خطأً فادحًا.

حديقة حيوانات من مصانع الحرير الحية

لم تكن الماعز سوى البداية. فعلى مدى السنوات الخمس عشرة التالية، ألقى الباحثون بكامل عُدّة التقنية الحيوية في معركة إنتاج حرير العنكبوت، مهندسين مجموعة غريبة من الكائنات الحية.

الماعز المعدّلة وراثيًا، التي طوّرتها شركة نيكسيا بيوتكنولوجيز وواصل العمل عليها لاحقًا راندي لويس في جامعة ولاية يوتا، كانت المشروع الرائد. وكانت المزايا واضحة: حيوانات كبيرة تنتج يوميًا لترات من سائل غني بالبروتين، مع استخدام البنية التحتية القائمة للألبان في الجمع والمعالجة. وسيكون بروتين حرير العنكبوت ذائبًا في الحليب، فتستخلصه وتنقّيه وتغزله أليافًا.

وكانت المشكلات واضحة بالقدر نفسه، وإن استغرق إدراكها بالكامل سنوات. أولًا، الحليب حساء بيولوجي معقد يحتوي على مئات البروتينات والدهون والسكريات. وكان فصل بروتين واحد بعينه يتطلب عمليات كروماتوغرافيا وترشيح باهظة. ثانيًا، الماعز مكلفة الرعاية. فهي تحتاج إلى أرض وأعلاف ورعاية بيطرية، وإلى أشهر طويلة قبل أن تُلقَّح أنثى معدّلة وراثيًا جديدة وتنتج الحليب. ثالثًا، كانت كل ماعز تنتج تركيزًا مختلفًا قليلًا من بروتين الحرير بحسب جيناتها وغذائها ودورة إدرارها. وكان الاتساق، الكأس المقدسة للصناعة، شبه مستحيل.

ورابعًا، وربما الأشد إدانة: التوسع كان يتطلب قطعانًا من مئات الماعز، بل آلافًا في نهاية المطاف، لإنتاج كميات ذات أهمية تجارية. وسرعان ما تبخرت رومانسية «ماعز العنكبوت» حين اصطدمت بلوجستيات مزارع الألبان الصناعية.

كانت البكتيريا أكثر عملية، لكنها جاءت مع لعنتها الخاصة. فالإشريكية القولونية (E. coli) هي حصان العمل في التقنية الحيوية منذ السبعينيات: رخيصة، وسريعة النمو، وسهلة التعديل الوراثي. وكان جعل البكتيريا تنتج بروتين حرير العنكبوت أمرًا يسيرًا. أما جعلها تنتج بروتين حرير عنكبوت مفيدًا فلم يكن كذلك.

كانت المشكلة في الأجسام الاشتمالية. فحين تحاول البكتيريا إنتاج كميات كبيرة من بروتين غريب، لا سيما البروتينات الكبيرة المعقدة كالسبيدروينات، كثيرًا ما تُرهَق. فتنطوي البروتينات انطواءً خاطئًا وتتجمع في كتل كثيفة غير قابلة للذوبان داخل الخلية. وهذه الأجسام الاشتمالية مصدر صداع: فالبروتين في الشكل الخطأ ويجب إذابته وإعادة طيّه قبل أن يتمكن أحد من غزله.

كان بوسع الباحثين تكسير الخلايا واستخلاص الأجسام الاشتمالية باستخدام مواد كيميائية قاسية وحرارة عالية، ثم محاولة إعادة طي البروتين إلى بنيته الصحيحة. أحيانًا نجح ذلك. وكثيرًا ما لم ينجح.

وحين كان ينجح، كانت العملية مستهلكة للطاقة ومكلفة إلى درجة تُلغي أي ميزة في التكلفة كان استخدام البكتيريا سيحققها أصلًا.

الخمائر قدّمت طريقًا وسطًا. فخميرة Pichia pastoris وغيرها من سلالات الخمائر الصناعية تمتلك آليات لطي البروتين أكثر تطورًا من البكتيريا، فهي كائنات حقيقية النوى، ذات حجيرات خلوية وبروتينات مرافقة تساعد على طي البروتينات المعقدة على نحو صحيح. ويمكن زراعتها في مفاعلات حيوية ضخمة باستخدام تقنيات تخمير راسخة، وهي العملية الأساسية نفسها المستخدمة في صنع الجعة أو الإنزيمات الصناعية.

لاحقًا، راهن جيل ثانٍ من الشركات بقوة على التخمير الميكروبي. فقد هندست شركة «بولت ثريدز» (Bolt Threads) في كاليفورنيا الخميرة، واستخدمت «إيه إم سيلك» (AMSilk) في ألمانيا البكتيريا، في حين تكتفي «سبايبر» (Spiber) في اليابان بالقول إنها تستخدم «كائنات دقيقة». وطوّرت جميعها سلالات خاصة بها قادرة على إنتاج بروتينات شبيهة بالسبيدروين بمردود يُقاس بالغرامات لكل لتر. كان هذا تقدمًا حقيقيًا. فقد خرج البروتين قابلًا للذوبان، ومنطويًا على نحو صحيح، وبتراكيز عالية بما يكفي لتكون مثيرة للاهتمام اقتصاديًا.

لكن «مثيرة للاهتمام اقتصاديًا» تبيّن أنها عتبة منخفضة على نحو خطير. فزراعة الخمائر أو البكتيريا تتطلب مادة أولية من السكر، وبكميات كبيرة. ويتطلب التخمير الصناعي ضبط درجة الحرارة وظروفًا معقمة وتحريكًا مستمرًا. وكل ذلك يتطلب طاقة. وبعد التخمير، ما زلت بحاجة إلى فصل البروتين عن الخلايا وعن وسط النمو، ثم تركيزه إلى الكثافات العالية اللازمة للغزل.

وحين أجرت الشركات حسابًا كاملًا للتكاليف، جاءت الأرقام مخيّبة. وتفاوتت التقديرات تفاوتًا هائلًا. فقد قدّرت شركة «كريغ لابز» (Kraig Labs)، وهي منافسة تعتمد على دودة القز، ذات مرة أن دفعات التخمير الصغيرة تكلّف ما بين 35,000 و50,000 دولار لكل كيلوغرام من البروتين، وهو رقم كفّت الشركة منذ ذلك الحين عن تبنّيه. أما في الإنتاج البكتيري، فتقدّر النمذجة الحد الأدنى لسعر بيع الألياف الجاهزة بنحو 760 دولارًا للكيلوغرام في أول مصنع تجاري، لينخفض إلى نحو 23 دولارًا للكيلوغرام فقط في مصنع مُحسَّن تسبقه مصانع عديدة مماثلة، وفق افتراضات لم تُثبتها أي شركة حتى الآن.

وللمقارنة، يكلّف كيلوغرام راتنج النايلون نحو دولارين. أما الكيفلار، وهو من أغلى ألياف الأداء المنتجة بكميات كبيرة، فيكلّف أضعاف ثمن النايلون.

ديدان القز المعدّلة وراثيًا بدت وكأنها قد تحل كل شيء. فديدان القز تنتج الحرير أصلًا، وبكميات كبيرة، وبموثوقية، منذ آلاف السنين. وكانت صناعة تربية دودة القز قائمة، ببنية تحتية راسخة لتربية الديدان وجمع الشرانق واستخلاص الألياف. فلو استطعت جعل ديدان القز تنتج حرير العنكبوت بدلًا من حريرها الأصلي، لحصلت على صناعة جاهزة في الحال.

سعى باحثون في جامعة نوتردام وجامعة وايومنغ ومؤسسات في الصين واليابان جميعًا إلى هذا النهج. ونجحوا في استحداث ديدان قز معدّلة وراثيًا تنتج حريرًا يحتوي على بروتينات حرير العنكبوت، إما صافية أو ممزوجة بالحرير الأصلي للدودة.

لقد نجح الأمر. فقد غزلت الديدان شرانق تحتوي على البروتين المهندَس، وكانت الألياف المركّبة التي اختُبرت عام 2012 في المتوسط أمتن من حرير دودة القز العادي، وبمتانة تقارب متانة خيط الأمان الطبيعي. لكن بروتين العنكبوت لم يشكّل سوى جزء من الليف، الذي ظل في معظمه حرير دودة قز، وتفاوتت النتائج من سلالة إلى أخرى.

وكانت هناك مشكلة أكثر جوهرية: فديدان القز تغزل شرانقها في ليف واحد متصل على مدى عدة أيام، مستخدمةً عملية غزل مختلفة تمامًا عن عملية العناكب، ولم تستطع تلك الألياف المركّبة المبكرة محاكاة التناغم الكيميائي والميكانيكي لدى العنكبوت. ولم يتمكن فريق صيني من جعل ديدان القز تغزل أليافًا كاملة من حرير العنكبوت إلا في عام 2023، بقوة تبلغ نحو 1.3 غيغاباسكال ومتانة تقارب 320 ميغاجول/م³، أي على قدم المساواة مع خيط الأمان الطبيعي، وحتى هذا لا يزال نتيجة مختبرية لا منتجًا.

النباتات والطحالب كانت رهانات بعيدة الاحتمال. فقد هندس بعض الباحثين نباتات التبغ والبرسيم الحجازي، بل وحتى البطاطس، لتنتج بروتينات حرير العنكبوت. وجرّب آخرون الطحالب، ظنًا منهم أن الكائنات القادرة على التمثيل الضوئي قد توفر منصة إنتاج مستدامة ومنخفضة التكلفة.

أثمرت هذه الجهود أوراقًا بحثية وبراءات اختراع لكنها لم تُثمر صناعة. فقد استطاعت النباتات صنع البروتين (بما يصل إلى نحو 2% من البروتين الذائب في أوراق التبغ والبطاطس)، وكانت تنقيته سهلة بفضل ثباته الحراري. لكن البروتينات المصنوعة في النباتات كانت أصغر من السبيدروينات الطبيعية العملاقة، ولم يقترب أي نظام نباتي أو طحلبي من الإنتاج التجاري.

ما الذي نجح، وماذا كان يعني

بحلول منتصف العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، كان بوسع الموجة الأولى من شركات حرير العنكبوت أن تدّعي إنجازًا حقيقيًا: لقد نجحت في إنتاج بروتين حرير العنكبوت في كائنات غير العناكب بكميات يمكن قياسها بالكيلوغرامات سنويًا بدلًا من المليغرامات أسبوعيًا.

لم يكن ذلك بالأمر الهيّن. فقبل خمسة عشر عامًا، كانت الطريقة الوحيدة للحصول على بروتين حرير العنكبوت هي تشريحه واستخراجه من العناكب. أما الآن، فيمكنك زراعته في مفاعل حيوي.

لكن هذا الإنجاز جاء مصحوبًا بإدراك صعب: إنتاج البروتين لم يكن سوى البداية. فالمشكلة الحقيقية، التي ستستهلك عقدين آخرين ومئات الملايين الإضافية من الدولارات، كانت ماذا تفعل بالبروتين بعد أن تحصل عليه.

كان البروتين موجودًا على هيئة محلول مركّز يُسمى أحيانًا «عجينة الحرير» (silk dope): سائل لزج مائي الأساس يحتوي على ما بين 30 و50% تقريبًا من البروتين وزنًا. وفي العنكبوت، تقبع هذه العجينة في الغدة الأمبولية الكبرى، في انتظار أن تتحول إلى ألياف عبر السلسلة الدقيقة من العمليات الكيميائية والميكانيكية في قناة الغزل.

أما في المصنع، فكانت العجينة تقبع في الخزانات والحاويات، والباحثون يحدّقون فيها محاولين معرفة كيف يحوّلونها إلى ألياف تؤدي وظيفتها.

استخدمت المحاولات الأولى أساليب البثق التقليدية في صناعة النسيج: دفع المحلول البروتيني عبر فوهة صغيرة، أحيانًا إلى حوض تخثير من الميثانول أو الأسيتون، وأحيانًا إلى الهواء مباشرة.

وقد نجحت هذه الأساليب مع النايلون والبوليستر وحتى الكيفلار، لكنها قصّرت كثيرًا مع حرير العنكبوت.

كانت الألياف الناتجة أسمك من الحرير الطبيعي وأضعف منه بكثير. وحتى ألياف نيكسيا التي حظيت بدعاية واسعة عام 2002، والتي ضاهت خيط الأمان في المتانة والجساءة، لم تستطع مضاهاة قوته. وكلما سُحبت الألياف أرفع وأحسن توجيهًا، ازدادت قوة، وهو دليل على أن المشكلة تكمن في طريقة غزل البروتينات ورصفها، لا في البروتينات نفسها.

كان البثق الصناعي سريعًا جدًا وقاسيًا جدًا. فلم يكن لدى البروتينات وقت كافٍ للاصطفاف قبل أن تتصلب. ولم تتشكل بلورات صفائح بيتا الحاسمة على نحو صحيح. كان الليف يبدو كحرير العنكبوت تحت المجهر، لكنه قصّر كثيرًا عنه في الاختبارات.

أعلنت عدة شركات أنها أنتجت «ألياف حرير العنكبوت». كانت فعلًا أليافًا مصنوعة من بروتين حرير العنكبوت، لكن خصائصها الميكانيكية قصّرت كثيرًا عن الحرير الحقيقي.

التحوّل، والصمت، والإغلاق

بحلول عام 2009، كانت الموجة الأولى تقترب من نهايتها. فشركة نيكسيا بيوتكنولوجيز، شركة مونتريال التي تقف وراء ماعز العنكبوت، كانت قد باعت أكثر برامجها الدوائية القائمة على حليب الماعز وعدًا إلى الشركة الأمريكية «فارماثين» (PharmAthene) عام 2005، ثم انهارت بهدوء. وانتهى المطاف باثنتين من ماعزها في متحف كندا للزراعة. ونقل فريق راندي لويس ماعزًا أخرى من كندا إلى وايومنغ، ثم لاحقًا إلى جامعة ولاية يوتا، حيث واصل مختبره العمل في إطار برنامج بحثي ممول من القطاع العام لا مشروع تجاري.

أما «كريغ بايوكرافت لابوراتوريز» (Kraig Biocraft Laboratories)، وهي وافدة لاحقة ركزت على ديدان القز المعدّلة وراثيًا، فقد أمضت سنوات تتأرجح بين العقود العسكرية والمنسوجات الاستهلاكية، في حين كانت أسهمها تُتداول ببضعة سنتات خارج البورصة. ولم تعلن عن أول شحنة تجارية من الغزل إلا في عام 2026، بعد توسيع تربية ديدان القز في فيتنام، وهي طلبية وصفها رئيسها التنفيذي بأنها «صغيرة عن قصد».

وخرجت شركات أخرى خروجًا أهدأ. فكفّت عن الحديث عن السترات الواقية من الرصاص وبدأت تتحدث عن ضمادات الجروح. وكفّت عن الوعد بقلب صناعة النسيج رأسًا على عقب، وبدأت تستهدف تطبيقات طبية متخصصة يمكن فيها تبرير التكاليف المرتفعة بالهوامش المرتفعة والكميات الصغيرة.

ونفد المال من بعضها فأغلقت أبوابها دون بيانات صحفية أو تفسيرات. وأظلمت مواقعها الإلكترونية، وانتهت صلاحية براءات اختراعها أو بيعت، ومضى الباحثون إلى غيرها.

اللافت عند النظر إلى الوراء هو قلة الدراما التي رافقت هذه الإخفاقات. لم تكن هناك حالات إفلاس مدوية ولا فضائح مكشوفة؛ فقد تلاشت الشركات. صارت البيانات الصحفية أقل تواترًا. وامتدت الجداول الزمنية بهدوء. فشركة نيكسيا، على سبيل المثال، كانت قد أبلغت الصحفيين في يناير/كانون الثاني 2000 بأن الإنتاج على نطاق واسع سيبدأ قبل نهاية العام. ولم يبدأ قط.

بقيت البنية التحتية والمعرفة، واستمرت تقنية إنتاج البروتين في التحسن تدريجيًا: تحسّنت سلالات الخمائر وأساليب التنقية وانخفضت التكاليف، لكن ليس بالسرعة الكافية ولا بالقدر الكافي.

لكن الوعد الأصلي، أي رؤية حرير العنكبوت بوصفه مادة ثورية ستحل محل الكيفلار وتعيد ابتكار الدروع الواقية وتطلق صناعة جديدة للمواد الحيوية الأساس، كان قد تلاشى، ولم يأسف عليه في الغالب سوى الباحثين والمستثمرين الذين راهنوا عليه بمسيراتهم المهنية ورؤوس أموالهم.

درس الموجة الأولى

فشلت الموجة الأولى لأنها انطلقت من سوء فهم جوهري لموضع الصعوبة.

لم تكن الهندسة الوراثية عنق الزجاجة الرئيسي قط. نعم، كانت صعبة تقنيًا، لكنها قابلة للحل بالأدوات المتاحة. فإدخال الجينات في الكائنات الحية، وتحسين التعبير عنها، وتوسيع نطاق التخمير، كانت كلها أرضًا معروفة، موضوعًا للكتب الدراسية والممارسة التجارية.

كان عنق الزجاجة دائمًا هو التحول من السائل إلى الصلب: عملية الغزل التي تحدث في جزء من الثانية داخل بطن العنكبوت، والتي ما زلنا، بعد أكثر من ثلاثين عامًا على فك شيفرة أول جين لحرير العنكبوت، عاجزين عن محاكاتها على نطاق صناعي مع الحفاظ على الخصائص الاستثنائية للمادة.

افترضت الموجة الأولى أن إنجاز العنكبوت هو البروتين، وأن تحفة التطور هي البنية الجزيئية. ومن ثم، فما إن تحصل على البروتين حتى يكون الجزء الصعب قد أُنجز.

أما الإنجاز الأصعب فكان المغزل: الآلة البيولوجية التي تأخذ البروتين وتحوّله إلى ألياف بكفاءة لافتة، مستخدمةً لا شيء سوى التحكم في التدفق الموائعي الدقيق وكيمياء متناغمة بعناية.

سيشكّل هذا الإدراك الموجة الثانية من المحاولات. لكن على الصناعة أولًا أن تواجه سؤالًا أكثر بداهة، كان ينبغي طرحه منذ البداية: إذا كان صنع حرير العنكبوت بهذه الصعوبة، فلماذا لا نربي العناكب ببساطة؟

والإجابة عن هذا السؤال تفسر لماذا يصطدم كل نهج، مهما بلغ من الذكاء، في نهاية المطاف بالجدار نفسه.

لماذا لا يمكنك تربية العناكب

كل من يتحدث عن حرير العنكبوت مدة كافية يُسأل السؤال نفسه.

إذا كان بالإمكان تربية ديدان القز لصنع الحرير العادي، فلماذا لا نربي العناكب ببساطة؟

لو أمكن تربية العناكب، لما احتاجت الصناعة إلى الهندسة الوراثية ولا إلى التقنية الحيوية ولا إلى برامج بحثية تبلغ ميزانياتها مئة مليون دولار؛ لكانت ببساطة بنت مزارع للعناكب.

لقد حاول الناس ذلك منذ قرون، ولم ينجح الأمر قط. والسبب في عدم نجاحه يكشف شيئًا جوهريًا عن القيود التي شكّلت كل محاولة لاحقة لإنتاج حرير العنكبوت تجاريًا.

التجربة التي تفشل دائمًا

في عام 1709، حاول قاضٍ وعالم طبيعة فرنسي يُدعى فرانسوا كزافييه بون دو سان هيلير إطلاق أول صناعة لحرير العنكبوت في العالم. فجمع أكياس بيض العناكب، وغلى حريرها ومشّطه، ثم أمر بحياكته جوارب وقفازات، أرسلها إلى أكاديمية العلوم الفرنسية وإلى الجمعية الملكية في لندن.

نجحت التجربة تقنيًا. فالقفازات وُجدت فعلًا. وكانت مصنوعة من حرير العنكبوت. وأخذت الأكاديمية الفكرة على محمل الجد بما يكفي لتأمر بدراستها.

لكن التجربة كانت كارثية اقتصاديًا. فحين طلبت الأكاديمية من عالم الطبيعة رينيه أنطوان فيرشو دو ريومور تقييمها، وجد أن العناكب المحبوسة تتقاتل ويأكل بعضها بعضًا، وأن حرير أكياس البيض شحيح إلى درجة أن رطلًا واحدًا منه سيتطلب، وفق حساباته، 55,000 من أفضل العناكب أو أكثر من 660,000 من عناكب الحدائق الشائعة. ولم تتحول الفكرة قط إلى صناعة.

وبعد ثلاثمئة عام، حاول رجلان من جديد. ففي مدغشقر، أمضى فنان النسيج سايمون بيرز والمصمم نيكولاس غودلي نحو ثماني سنوات في جمع الحرير من أكثر من مليون عنكبوت من عناكب الشبكة الدائرية الذهبية (Nephila).

وصنعا قطعتين: نسيج بروكار ذهبي عُرض في المتحف الأمريكي للتاريخ الطبيعي عام 2009، ورداء مطرّز عُرض في متحف فيكتوريا وألبرت في لندن عام 2012. كان النسيج مذهلًا، وكانت العملية وراء القطعتين مضنية.

كان العمال يجمعون العناكب من البرية كل صباح. ويُثبَّت كل عنكبوت برفق بينما يُسحب الحرير يدويًا من مغازله، في عملية تُسمى «الحَلْب الحريري» (silking)، ثم يُعاد الحيوان إلى الغابة في اليوم نفسه.

كانت الحصيلة ضئيلة: نحو 23,000 عنكبوت مقابل 25 غرامًا من الحرير، أي أقل من أونصة واحدة. والرداء وحده يزن نحو 1.9 كيلوغرام.

صار الرداء قطعة عرض متحفية، ودليلًا على أن تربية العناكب مستحيلة تجاريًا.

البيولوجيا التي تكسر النموذج

السبب مكتوب في بيولوجيا العنكبوت على كل المستويات، بدءًا من أكثرها وضوحًا: العناكب مفترسات، والمفترسات لا تصلح للتربية في المزارع.

ديدان القز عاشبة تتغذى على أوراق التوت. يمكنك رصّ آلاف ديدان القز على صوانٍ مكدسة في المستودعات، وإطعامها أوراقًا رخيصة، وستتعايش بسلام حتى تغزل شرانقها. وقد دُجّنت منذ نحو 5,000 عام. وصارت الآن متخصصة في إنتاج الحرير إلى درجة أن دودة القز المستأنسة Bombyx mori بالكاد تستطيع البقاء في البرية. إنها بقرة الحليب بين اللافقاريات: وديعة ومنتجة ومُحسَّنة تمامًا للاستخدام البشري.

أما العناكب فلا تشبه ذلك في شيء. فمعظم الأنواع التي تهم إنتاج الحرير، أي عناكب الشبكة الدائرية مثل Nephila وArgiope، صيادات منفردة.

وهي تدافع عن مناطقها، واستراتيجيتها التطورية بأكملها مبنية على الدفاع عن قطعة أرض على هيئة شبكة وأكل كل ما يقترب منها.

ضع عنكبوتين متقاربين ولن يتعاونا. بل سيتقاتلان. وعادةً ما يأكل الأكبر منهما الأصغر.

التغذية المنتظمة تخفف هذا العدوان، وبعض المختبرات تحتفظ بعناكب حائكة للشباك الدائرية جيدة التغذية في غرف مشتركة، لكن أحدًا لم يحوّل ذلك إلى مزرعة؛ فهو سلوك جوهري تطور على مدى ملايين السنين. فإناث العناكب تأكل الذكور أحيانًا حتى أثناء التزاوج، والافتراس الجنسي شائع في بعض الأنواع إلى حد أنه النتيجة المعتادة. ولم ينجح أحد قط في إبقاء مئات العناكب بالكثافة التي تحتاجها مزرعة.

يمكنك نظريًا إيواء كل عنكبوت على حدة. لكنك عندئذ لا تدير مزرعة، بل حديقة حيوانات. فتكاليف العمالة والبنية التحتية تتزايد خطيًا تقريبًا مع عدد العناكب، ولا تكاد توجد وفورات حجم.

وعلى خلاف ديدان القز، التي تغزل كل منها شرنقة كبيرة واحدة يمكن جمعها بالجملة، تنتج العناكب الحرير باستمرار وبكميات صغيرة. فهي تغزل شبكات يمكنك جمعها، لكن حرير الشبكة لزج، وحرير خيط الأمان الذي تريده ليس سوى واحد من عدة أنواع من الحرير فيها.

الطريقة العملية الوحيدة هي الاستخراج اليدوي، أي عملية «الحَلْب الحريري» المستخدمة في مدغشقر، حيث يثبّت البشر كل عنكبوت بأيديهم ويسحبون الحرير من مغازله. إنها عملية بطيئة، وكثيفة العمالة، ومجهِدة للعنكبوت، ما يقلل إنتاجه المستقبلي من الحرير.

الحسابات التي لا تستقيم

لنُجرِ الحسابات لما تتطلبه تربية العناكب على نطاق صناعي.

يمكن «حلب» عنكبوت كبير من جنس Nephila يدويًا للحصول على ربما عشرات الأمتار من خيط الأمان في الجلسة الواحدة. يبدو ذلك واعدًا إلى أن تحسب الكتلة: فقطر خيط الأمان نحو 5 ميكرونات، لذا لا تزن مئة متر منه سوى نحو 2.5 مليغرام.

تُباع ألياف النسيج الصناعية بالطن. والطن الواحد مليون غرام. ولإنتاج طن واحد من حرير العنكبوت سنويًا عن طريق التربية، ستحتاج إلى أكثر من مليون عنكبوت يعطي كل منها 100 متر كل يوم بلا استثناء، على افتراض كفاءة جمع مثالية وانعدام الفاقد.

وعمليًا، مع احتساب النفوق والإجهاد والتقلبات الموسمية واستحالة الحصاد كل يوم، فالأرجح أنك ستحتاج إلى عدة ملايين من العناكب في حالة إنتاج نشط في أي وقت.

أضف الآن البنية التحتية: حظائر فردية (فالعناكب لا تستطيع التشارك)، والتغذية (كل عنكبوت يحتاج إلى حشرات حية)، وإدارة النفايات، والتحكم في المناخ، وتكلفة العمالة اللازمة لحصاد الحرير يدويًا من ملايين العناكب كل يوم.

قارن ذلك بتربية دودة القز. فمزارع دودة القز الحديثة تنتج أطنانًا عدة من الحرير من مستودع واحد، باستخدام عمالة موسمية وحصاد بالجملة. ولا تحتاج ديدان القز إلى مساكن فردية، ولا يأكل بعضها بعضًا، وتنتج حريرها تلقائيًا في شرانق ملائمة سهلة الحصاد.

أو قارنه بإنتاج الألياف الاصطناعية. فمنشأة واحدة لإنتاج النايلون تنتج آلاف الأطنان سنويًا بعملية مؤتمتة بالكامل، بلا تغذية ولا إدارة نفايات ولا رعاية فردية للحيوانات.

القرار الذي شكّل كل شيء

هذا الطريق البيولوجي المسدود هو السبب في أن صناعة حرير العنكبوت بأكملها سلكت المسار الذي سلكته. فبما أنك لا تستطيع تربية العناكب، تحتاج إلى مصدر بديل لبروتين الحرير. وهذا يعني التقنية الحيوية: هندسة كائنات أخرى لتنتج البروتين نيابةً عنك.

لكن قبول هذه الضرورة كان يعني قبول مشكلة ثانية أصعب: إذا لم تكن تستخدم العناكب، فأنت لا تستخدم مغازلها أيضًا. فلا يكفي أن تنتج البروتين، بل عليك أن تبتكر عملية جديدة كليًا لتحويل ذلك البروتين إلى ألياف.

إنتاج الحرير لدى العنكبوت نظام بيولوجي متكامل. فتركيبة البروتين، والبيئة الكيميائية للغدة، وقوى القص الميكانيكية في قناة الغزل، والتوقيت الدقيق لتغيرات الرقم الهيدروجيني وتبادل الأيونات، كلها تطورت معًا بوصفها منظومة متناسقة. ولا يمكنك انتزاع جزء منها وتوقّع أن يعمل مستقلًا.

وحين اختار الباحثون التخلي عن تربية العناكب لصالح الهندسة الوراثية، فإنهم اختاروا ضمنيًا حل مشكلتين بدلًا من واحدة:

1. إنتاج البروتين في كائن حي غير العنكبوت

2. بناء مغزل اصطناعي قادر على محاكاة عملية العنكبوت

ظنت الموجة الأولى من الشركات أن المشكلة رقم 1 هي الصعبة. وكانت مخطئة. فقد تبين أن المشكلة رقم 1 قابلة للحل بالتقنيات الحيوية المتاحة، وإن بتكاليف أعلى مما كان مأمولًا.

أما المشكلة رقم 2، أي الغزل، فقد تبين أنها صعبة صعوبةً مستعصية، إلى درجة أنها ما زالت دون حل على النطاق الصناعي بعد ثلاثة عقود.

لماذا يهم طريق التربية المسدود

استحالة تربية العناكب هي القيد الأصلي الذي فرض كل قرار لاحق في هذا المجال. ولهذا صار حرير العنكبوت قصة تقنية حيوية، ولهذا ذهبت مئات الملايين من الدولارات إلى خزانات التخمير لا إلى تربية العنكبيات.

ولهذا أيضًا فإن المقارنة بديدان القز، التي تجعل تربية العناكب للحرير تبدو معقولة جدًا، مضللة. فديدان القز فئة مختلفة تمامًا من الكائنات: مستأنسة، ووديعة، ومُحسَّنة على مدى آلاف السنين للاستخدام البشري.

أما العناكب فمفترسات برية، شكّلها تطور لم يحسب حسابًا للزراعة البشرية.

شكّل هذا القيد كل شيء. فمسار الهندسة الوراثية اختير لأنه الخيار الوحيد. وما إن اتُّخذ هذا الخيار حتى وجدت الصناعة نفسها تحاول محاكاة لا مادة فحسب، بل عملية التصنيع البيولوجية الكاملة التي أمضى التطور مئات ملايين السنين في إتقانها.

لم نستطع تربية الحيوان، فـ«زرعنا» البروتين بدلًا منه، لنكتشف أن امتلاك البروتين ليس سوى نصف المشكلة، وربما أقل.

يقبع العنكبوت في شبكته منتجًا مادة نريدها لكننا لا نستطيع حصادها اقتصاديًا. هذه الاستحالة أطلقت صناعة، وهي تفسر إلى حد بعيد لماذا أمضت تلك الصناعة ثلاثين عامًا عاجزة عن الوفاء بوعدها.

ولما عجزت الصناعة عن تربية العناكب، شرعت في إعادة بناء آلة الغزل لدى العنكبوت نفسها، وتبيّن أن ذلك أصعب.

عنق الزجاجة التقني الجوهري: الغزل لا البروتين

عادةً ما تنتهي أشهر من العمل المضني والمكلف في مختبر لحرير العنكبوت إلى قارورة من محلول بروتين الحرير المركّز، من دون طريقة موثوقة لتحويله إلى ألياف.

التخمير نجح، والتنقية تكللت بالنجاح، والبنية الجزيئية صحيحة: صفائح بيتا، والمناطق غير المتبلورة، وكل شيء في التسلسل الذي صممته الطبيعة.

لديك ربما 100 مليلتر من محلول يحتوي على ما بين 30 و40 غرامًا من بروتين الحرير، أي كمية من بروتين خيط الأمان تفوق ما يمكن أن يصنعه عنكبوت واحد طوال حياته، ومع ذلك قد لا يكون أكثر من حساء باهظ الثمن.

الخطوة التالية هي تحويل ذلك السائل إلى ليف يملك الخصائص التي تجعل حرير العنكبوت مميزًا. وبعد ثلاثة عقود من البحث ومئات الملايين من التمويل، تبقى هذه الخطوة المشكلة غير المحلولة التي قضت على كل مشروع تجاري لحرير العنكبوت تقريبًا.

وفهمُ سبب صعوبة الغزل يفسر لماذا ظلت الصناعة عالقة في مكانها ثلاثين عامًا رغم التقدم المستمر في كل الأبعاد الأخرى.

لماذا لم يكن البروتين هو الجزء الصعب

بحلول عام 2010، كان بوسع مجموعات بحثية وشركات متعددة إنتاج بروتين حرير العنكبوت بكميات تُقاس بالكيلوغرامات. فقد امتلكت «بولت ثريدز» سلالات خميرة خاصة بها. وامتلكت «سبايبر» في اليابان تقنية التخمير الخاصة بها. وأثبتت مختبرات أكاديمية في وايومنغ وألمانيا والسويد وأماكن أخرى إمكانية الإنتاج على مقياس الغرامات.

لم تُحلّ مشكلة البروتين بمعنى أنه صار رخيصًا، فقد تراوحت أسعار البيع المقدّرة بالنماذج للألياف الجاهزة بين مئات الدولارات للكيلوغرام في أول مصنع وبضع عشرات من الدولارات فقط في ظل افتراضات متفائلة ومُحسَّنة بالكامل. لكنها حُلّت بمعنى أن التقنية موجودة، وقابلة للتكرار، وتتحسن باطّراد. فكل عام جلب مردودًا أعلى، وطيًا أفضل، وتنقية أكثر كفاءة.

لو كان إنتاج البروتين هو التحدي الوحيد، لكان حرير العنكبوت اليوم باهظ الثمن لكنه متاح، كبعض البوليمرات المتخصصة أو المكونات الدوائية.

لكن امتلاك البروتين لا يوصلك إلا إلى خط البداية. أما الجزء الصعب فيبدأ حين تحاول صنع الألياف.

بروتين الحرير السائل هذا محلول مائي شديد التركيز من بروتينات ضخمة متكررة، معلقة في توازن كيميائي دقيق. البروتينات منطوية، لكنها لم تتجمع بعد في بنية الليف النهائية. وهي قابلة للذوبان، أي أنها محاطة بجزيئات الماء ومحافظة على تباعد كافٍ لكي لا تتكتل وتترسب خارج المحلول.

في الغدة الأمبولية الكبرى لدى العنكبوت، تبلغ «عجينة الحرير» هذه تراكيز تتراوح بين 30 و50% من البروتين، أي أكثف ما يمكن الوصول إليه مع الحفاظ على السيولة. وتُخزَّن في بيئة كيميائية مضبوطة بعناية، برقم هيدروجيني وتراكيز أيونية ودرجة حرارة محددة. غيّر أيًّا منها وسيبدأ البروتين في التكتل قبل الأوان. وإن أخطأت فسيتحول محلولك الباهظ إلى جبن قريش باهظ.

تحافظ أنثى العنكبوت على استقرار العجينة حتى تكون مستعدة للغزل. ثم، في جزء من الثانية، تحوّل ذلك السائل إلى ليف صلب بجزيئات شديدة الاصطفاف وخصائص ميكانيكية استثنائية.

نحاول معرفة كيف نفعل ذلك منذ التسعينيات، وما زلنا نحاول.

التناغم الجزيئي الذي لا نستطيع محاكاته

عملية الغزل لدى العنكبوت إنجاز في الهندسة الكيميائية والميكانيكية مضغوط في قناة طويلة على شكل حرف S تستدق حتى بضعة أجزاء من الألف من المليمتر. وفي داخلها تمر العجينة بخمس مراحل.

المرحلة الأولى: التركيز. تدخل عجينة الحرير قناة الغزل بتركيز عالٍ، لكن مع ما يكفي من الماء لإبقائها سائلة. وبينما تتدفق عبر القسم الأول من القناة، يُعاد امتصاص الماء بنشاط عبر جدران القناة. فيزداد تركيز البروتين أكثر، ما يجبر البروتينات على الاقتراب بعضها من بعض.

المرحلة الثانية: التحميض. ينخفض الرقم الهيدروجيني انخفاضًا حادًا، من نحو 7.6 في الغدة إلى 5.7 أو أقل في القناة. وهذا ليس عشوائيًا. فبروتينات الحرير تحتوي على أحماض أمينية محددة تستجيب لتغيرات الرقم الهيدروجيني. فعند رقم هيدروجيني أعلى، يتنافر بعضها مع بعض كهروستاتيكيًا. ومع انخفاض الرقم الهيدروجيني، يضعف ذلك التنافر. فتبدأ البروتينات في الترابط.

هذا التحول في الرقم الهيدروجيني دقيق. فإن كان سريعًا جدًا أو بطيئًا جدًا، يختل التجميع. ويتحكم فيه العنكبوت بخلايا متخصصة تبطّن القناة وتضخ البروتونات بنشاط، فتُنشئ تدرجًا سلسًا في الرقم الهيدروجيني.

المرحلة الثالثة: تبادل الأيونات. بالتزامن مع التحميض، تتغير البيئة الأيونية. فتُزال أيونات الصوديوم والكلوريد، التي تُثبّت الحالة السائلة. وتُدخَل أيونات البوتاسيوم والفوسفات. وتزيد عمليات التبديل الأيوني هذه من زعزعة الحالة الذائبة وتعزز تكتل البروتين.

وتتبع هذه التغيرات نمطًا مكانيًا على امتداد القناة، أي سلسلة من التحولات الكيميائية التي توجّه تجميع البروتين.

المرحلة الرابعة: القص الميكانيكي. في هذه المرحلة تتسلم الفيزياء الزمام من الكيمياء. فقناة الغزل مستدقة، تضيق على امتداد طولها. وبينما يُسحب المحلول البروتيني المتكاثف عبر هذه القناة المتضيقة، يتعرض لقوى قص متزايدة.

القص هو ما يحدث حين يتدفق مائع بمحاذاة سطح ما أو عبر ممر ضيق. تخيّل العسل وهو ينساب من ملعقة: العسل الملاصق لسطح الملعقة يتحرك أبطأ من العسل الأبعد عنه، فتتكون طبقات ينزلق بعضها فوق بعض. هذا هو القص.

في قناة العنكبوت، تؤثر قوى القص في بروتينات الحرير، فتمدّها وترصفها فعليًا في اتجاه التدفق. وهذا أمر حاسم. فمناطق صفائح بيتا البلورية يجب أن تتكون موازية لمحور الليف. والمناطق غير المتبلورة يجب أن تتوزع بينها على النحو الصحيح. والاصطفاف العشوائي يعطيك ليفًا ضعيفًا. أما قوى القص الناتجة عن القناة المستدقة فتُحدث اصطفافًا موجّهًا.

لكن يجب أن يكون القص قويًا بما يكفي لرصف البروتينات، ولطيفًا بما يكفي لعدم الإخلال بطيّها. فالقص القليل جدًا يعطيك اصطفافًا ضعيفًا. والقص المفرط يمسخ البروتينات ويدمر بنيتها.

يحقق العنكبوت ذلك عبر التدفق الصفائحي: تدفق سلس متطبق بلا اضطراب. تنزلق البروتينات بعضها فوق بعض في طبقات منتظمة، فتصطف تدريجيًا وتتجمع تدريجيًا في بنية الليف النهائية، بينما تُملي عليها المحفزات الكيميائية (الرقم الهيدروجيني والأيونات) متى تثبت في مواضعها.

المرحلة الخامسة: التصلب. حين تبلغ العجينة نهاية قناة الغزل، لا تعود سائلًا. فقد تجمعت البروتينات في حزم مصطفة. وسُحب معظم الماء. ويخرج الليف صلبًا لكنه لا يزال مرنًا إلى حد ما، ويكتمل تصلبه النهائي بينما يُسحب بعيدًا عن المغزل.

العملية بأكملها، من دخول السائل إلى القناة حتى خروج الليف الصلب، تحدث في غضون جزء من الثانية.

لماذا يدمر البثق الصناعي كل شيء

والآن تأمّل ما يحدث حين تحاول محاكاة هذه العملية باستخدام معدات إنتاج الألياف الصناعية.

للغزل التقليدي للألياف نوعان رئيسيان: الغزل بالصهر، المستخدم للنايلون والبوليستر، والغزل الرطب، المستخدم للرايون وبعض الأراميدات. وكلاهما يقوم على دفع بوليمر عبر ثقب صغير يُسمى المغزل، لتكوين ليف متصل.

يستخدم الغزل بالصهر الحرارة. فتصهر البوليمر وتبثقه عبر ثقوب دقيقة. وحين يخرج ويبرد، يتصلب. وهذا ينجح نجاحًا باهرًا مع البوليمرات الاصطناعية البسيطة الثابتة حراريًا.

لكنه عديم الفائدة مع بروتين حرير العنكبوت. فبروتينات الحرير لا تنصهر، بل تتحلل قبل أن تسيل، لذا لا يمكن غزلها بالصهر كالنايلون. ويعمل الغزل بالصهر عادةً عند 200-300 درجة مئوية. وستنتهي بفحم بنكهة البروتين.

أما الغزل الرطب فيتجنب الحرارة باستخدام المذيبات الكيميائية. فتذيب البوليمر في مذيب، وتبثقه في حوض تخثير (عادةً مادة كيميائية أخرى تجعل البوليمر يترسب)، ثم تسحب الليف الناتج.

هذا أقرب إلى ما قد ينجح مع حرير العنكبوت. وقد جربت عدة مجموعات بحثية صيغًا مختلفة: بثق عجينة الحرير في الميثانول، أو الأسيتون، أو محاليل ملحية متنوعة تجعل البروتين يتكتل ويتصلب.

وهو ينجح، إلى حد ما: تحصل على ليف مصنوع من بروتين حرير العنكبوت، ويبدو تحت المجهر كليف.

لكن الخصائص الميكانيكية مخيبة للآمال. فمقاومة الشد لا تتجاوز في الغالب جزءًا من مقاومة حرير العنكبوت الطبيعي، والمتانة، الخاصية الحاسمة التي تجعل حرير العنكبوت مميزًا، تقصر هي الأخرى في العادة.

وتأتي المتاعب من ثلاث جهات: الاصطفاف، والحركية الكيميائية، والقص.

المشكلة الأولى: الاصطفاف. البثق الصناعي سريع. فأنت تحتاج إلى إنتاجية عالية لتكون مجديًا اقتصاديًا، أمتارًا من الألياف في الثانية لا مليمترات. وعند هذه السرعات، قد تُشدّ العجينة وتتعرض للقص أسرع مما تنتظم البروتينات، وقد يجمّدها حوض تخثير قاسٍ في مكانها قبل أن تصطف.

كثيرًا ما لا تُتاح لبروتينات الحرير فرصة الاصطفاف، وحين تتصلب تكون مبعثرة.

وتتجه المناطق البلورية في اتجاهات عشوائية، ولا تتكون على النحو الصحيح البنية الحاملة للحمل التي تعتمد على الاصطفاف المتوازي. والنتيجة ليف ضعيف ينهار عند جزء من الإجهاد الذي يتحمله الحرير الطبيعي.

المشكلة الثانية: الحركية الكيميائية. تحوّل العنكبوت، على سرعته، متسلسل بعناية. فالرقم الهيدروجيني يتغير تدريجيًا على امتداد القناة. والأيونات تتبادل بترتيب محدد. وتملك البروتينات وقتًا لتنطوي وتترابط وتصطف قبل أن تُثبَّت في البنية النهائية.

أما في حوض التخثير المعتاد، فقد يترسب البروتين من المحلول فوريًا تقريبًا. فتتكتل البروتينات حيثما تصادف وجودها، وبأي اتجاه تصادف أن تكون عليه. ولا وقت للتجميع المتأني.

والنتيجة ترسيب سريع بدلًا من تجميع ذاتي مضبوط، وهو الفرق بين رصّ الطوب بعناية لبناء جدار وإفراغ حمولة شاحنة من الطوب في كومة.

المشكلة الثالثة: القص. عند معدلات التدفق الصناعية، تكون قوى القص في المغزل هائلة، أعلى بمراتب عديدة مما يطبقه العنكبوت. وهذه القوى قادرة على كسر الروابط الكيميائية، والإخلال بطي البروتين، ومدّ الجزيئات أسرع مما تستطيع أن تستقر في بنية منتظمة.

لكنك لا تستطيع ببساطة أن تبطئ. فالتدفق البطيء يعني إنتاجية منخفضة، والإنتاجية المنخفضة تعني إنتاجًا غير اقتصادي. يستطيع العنكبوت أن يفلت بذلك لأنه لا يحتاج إلا إلى بضعة أمتار من الحرير في كل مرة. أما المصنع فيحتاج إلى كيلومترات في الساعة لمنافسة إنتاج النايلون.

الفيزياء لا تتوسع. فالتدفق اللطيف المضبوط الذي ينجح في قناة لا يتجاوز عرضها بضعة ميكرومترات لا يمكن ببساطة استنساخه في نظام أكبر يعمل بسرعات أعلى. فظروف التدفق تتغير جذريًا، ويصبح التحكم الدقيق الذي يعتمد عليه العنكبوت أصعب منالًا بكثير.

الفخ الاقتصادي للغزل البطيء

حققت بعض المجموعات البحثية نتائج مبهرة بمحاكاة العنكبوت على نحو أوثق: بثق بطيء عبر قنوات موائعية دقيقة، وتدرجات مدروسة في الرقم الهيدروجيني، وتبادل أيوني مضبوط، وقوى سحب لطيفة.

في عام 2017، بنى فريق من الجامعة السويدية للعلوم الزراعية ومعهد كارولينسكا جهاز غزل يحاكي انخفاض الرقم الهيدروجيني والقص لدى العنكبوت باستخدام محاليل منظِّمة مائية فقط. ومن لتر واحد من المزرعة البكتيرية غزلوا كيلومترًا من الألياف، وهي أمتن ألياف حرير عنكبوت اصطناعية أُعلن عنها حتى ذلك الحين بحالتها الخام بعد الغزل مباشرة.

كان ذلك اختراقًا حقيقيًا، لكن الليف ظل أضعف بكثير من خيط الأمان الطبيعي، وجرت العملية بمعدلات تدفق مختبرية، لا بمعدلات المصانع.

يجري الغزل الصناعي بالصهر للبوليستر والنايلون بسرعة آلاف الأمتار في الدقيقة. وحتى الأراميدات مثل الكيفلار، التي تُغزل من محاليل حمضية، يمكن لفّها بسرعة مئات الأمتار في الدقيقة. وتفترض خطوط الألياف المتخصصة عالية الأداء سرعات تُقاس بالأمتار في الدقيقة، لا بالأمتار في الساعة.

حتى الآن، عملت العمليات الأقرب إلى عملية العنكبوت، وإلى أليافه، بمعدلات مختبرية، والإنتاج البطيء إنتاج مكلف.

يمكنك الحصول على ألياف بجودة العنكبوت بسرعات العنكبوت وعلى نطاقه، فتنتج غرامات يوميًا بتكاليف تبلغ آلاف الدولارات للكيلوغرام. أو يمكنك الحصول على إنتاجية صناعية تنتج أطنانًا يوميًا، لكن الألياف تفقد الخصائص التي جعلت حرير العنكبوت جديرًا بالسعي إليه في المقام الأول.

لم يُثبت أحد حتى الآن خروج ألياف بجودة خيط الأمان من خط إنتاج بسرعة المصانع. والشركات التي أعلنت إنتاج «ألياف حرير العنكبوت» اختارت عادةً خيار السرعة الصناعية، متقبلةً تراجعًا حادًا في الخصائص الميكانيكية مقابل معدلات إنتاج قابلة للتحقيق. كان ليفها «حرير عنكبوت» في تركيبته الجزيئية، لا في أدائه.

لماذا ابتلعت هذه المشكلة مئات الملايين

فهم عنق الزجاجة في الغزل يفسر لماذا تطورت صناعة حرير العنكبوت على النحو الذي تطورت به، ولماذا عجزت عن الوفاء بوعودها.

أمكن التحكم في إنتاج البروتين، إلى حد ما، بحلول منتصف العقد الثاني من القرن الحادي والعشرين: فالتخمير ينجح، والمردود ارتفع، والتكاليف انخفضت، وإن لم تبلغ بعدُ مستوى السلعة الأساسية. ولو كان البروتين كافيًا، لكانت لدينا صناعة لحرير العنكبوت.

لكن الواقع أن البروتين مادة خام باهظة الثمن تقبع في خزان، في انتظار عملية تصنيع لا وجود لها على النطاق الصناعي.

تتطلب عملية الغزل التحكم في آن واحد في الكيمياء (الرقم الهيدروجيني والأيونات)، وديناميكا الموائع (التدفق الصفائحي وقوى القص المحددة)، والحركية الكيميائية (توقيت التجميع)، وكل ذلك في عملية متصلة تجري بسرعة كافية لتكون اقتصادية. تفعل الطبيعة ذلك في قناة لا يتجاوز عرضها عند طرفها بضعة ميكرومترات، صقلتها مئات ملايين السنين من التطور. ونحن نحاول فعله في معدات صناعية مُحسَّنة لبوليمرات مختلفة ذات آليات تجميع مختلفة.

توسيع العملية يكسر شيئًا ما في الغالب: فالقناة الأكبر تجعل التحكم في التدرجات الكيميائية أصعب، والعملية الأسرع تترك وقتًا أقل للاصطفاف، والتخثير الأقوى، الذي يُلجأ إليه لتسريع التصلب، قد يُخلّ ببنية البروتين.

عملية العنكبوت تلائم مقياس العنكبوت، وسرعات العنكبوت، وآليات تحكم العنكبوت، والفيزياء والاقتصاد كلاهما يقاومان نقلها إلى مصنع.

فبعد ثلاثين عامًا إذن، نعرف ما حرير العنكبوت، ونستطيع صنع البروتين. ما يبقى خارج قدرتنا على محاكاته اقتصاديًا وعلى نطاق واسع هو التحول من السائل إلى الصلب، ذلك الجزء من الثانية من التناغم الجزيئي الذي يحدث في بطن العنكبوت، ولهذا ما زلت لا تستطيع شراء سترة واقية من الرصاص مصنوعة من حرير العنكبوت.

مشكلة توسيع إنتاج المواد الحيوية

بحلول مطلع القرن الحادي والعشرين، كانت لدى نيكسيا بيوتكنولوجيز مشكلة بدت على الورق وكأنها نجاح. فماعزها تنتج بروتين حرير العنكبوت في حليبها. وفي عام 2002 أعلن علماؤها عن ألياف مغزولة بالطريقة الرطبة من بروتين حرير عنكبوت مؤتلف أُنتج في مزارع خلايا ثديية.

كانت المشكلة أن أحدًا لم يكن يعرف كيف يحوّل ذلك البروتين إلى أي شيء مربح.

كان لدى الشركة إثبات للمفهوم، ومنشورات، وبراءات اختراع، وصفقة مع وزارة الدفاع الكندية. ما لم يكن لديها هو طريق من «نستطيع فعل ذلك في المختبر» إلى «نستطيع بيعه بأكثر من تكلفة صنعه».

في عام 2005 باعت برنامجها الدوائي الرئيسي، وبحلول عام 2009 كانت قد اختفت.

لقد دخلت نيكسيا ما يسميه المستثمرون «وادي الموت».

يقع هذا الوادي بين تقنية مُثبتة وتصنيع قابل للحياة. تدخله الشركات حين ينجح العلم في المختبر، ولا تخرج منه إلا حين يكون الإنتاج قد توسع والعملاء يشترون. وحرير العنكبوت عالق فيه منذ ثلاثين عامًا.

وهم التقدم

ثمة ديناميكية غريبة في أبحاث علم المواد تجعل الفشل يبدو كأنه زخم إلى الأمام. ففي كل عام، ينشر أحدهم ورقة تُظهر تحسنًا في مردود البروتين، أو خصائص أفضل للألياف، أو نهجًا جديدًا في الغزل. وكل بضع سنوات، تعلن شركة ناشئة أنها حققت طاقة إنتاجية «تشكل اختراقًا».

تبدو الأرقام مبهرة، بادعاءات من قبيل «تحسن بعشرة أضعاف في كفاءة التخمير»، أو «قوة ليف تبلغ 800 ميغاباسكال»، أو «طاقة إنتاجية تبلغ 50 كيلوغرامًا سنويًا».

بالنسبة إلى شخص من خارج المجال، كمستثمر أو صحفي أو متعاقد دفاعي، تبدو هذه معالم كبرى. تبدو كصناعة تقترب من الجدوى التجارية.

أما بالنسبة إلى من يفهم التصنيع الصناعي، فهي مجرد أخطاء تقريب.

الفجوة بين النجاح المختبري والجدوى الصناعية سلسلة من المشكلات المركّبة التي يضاعف بعضها بعضًا، فتُنشئ حاجزًا يزداد انحدارًا كلما اقتربت منه.

ما الذي يعنيه «النطاق الصناعي»

حين تعلن شركة ناشئة عن إنتاج 50 كيلوغرامًا سنويًا، كثيرًا ما يتضمن البيان الصحفي توقعات من قبيل: «يمكن توسيع هذه الطاقة إلى 500 كيلوغرام، ثم إلى 5 أطنان، ما يتيح تطبيقات تجارية في المنسوجات عالية الأداء».

يغفل هذا التوقع الحجم الذي تُستهلك به المواد الصناعية: آلاف الأطنان، لا الكيلوغرامات.

الإنتاج العالمي من ألياف النايلون (البولي أميد): نحو 7 ملايين طن في عام 2024. وألياف البارا-أراميد (العائلة التي ينتمي إليها الكيفلار): في حدود 100,000 طن من الطاقة الإنتاجية السنوية، وفق تقديرات القطاع. وحتى ألياف الأراميد المتخصصة تشغل أسواقًا متخصصة تُقاس بآلاف الأطنان سنويًا.

لكي يكون لك وزن في سوق ألياف الأداء (لا هيمنة، بل مجرد وزن)، تحتاج إلى أن تكون قادرًا على إنتاج مئات الأطنان سنويًا على الأقل. وإلا فلن تستطيع الوفاء بالعقود، ولا ضمان الاتساق، ولا تحقيق وفورات الحجم التي تجعل سعرك تنافسيًا.

خمسون كيلوغرامًا سنويًا تبدو كمية كبيرة لباحث أنتج من قبل 50 غرامًا. لكنها تعني نحو 140 غرامًا يوميًا؛ ويمكن لإنتاج يوم كامل أن يتسع في جيب معطفك، والانتقال من هناك إلى 100 طن سنويًا توسع بمقدار 2,000 ضعف، مع مشكلات جديدة في كل خطوة.

كارثة التلوث

من أصعب جوانب التصنيع البيولوجي خطر التلوث. إنها مشكلة أمضت شركات الأدوية عقودًا في تعلّم إدارتها، بتكلفة هائلة. وشركات المواد الحيوية تتعلم الدروس نفسها، بتمويل أقل بكثير وهامش للخطأ أضيق بكثير.

لنفترض أنك تشغّل مفاعلًا حيويًا سعته 10,000 لتر تنمو فيه خميرة تنتج بروتين حرير العنكبوت. يستغرق التخمير 3-5 أيام. وفي النهاية، إن جرى كل شيء على أكمل وجه، تحصل على 10,000 لتر من مرق التخمير يحتوي على نحو 30 كيلوغرامًا من البروتين.

هذه الكيلوغرامات الثلاثون لا تزال مجرد بروتين في مرق، لم يُنقَّ بعد ولم يُغزل بعد، وقد استهلكت الدفعة بالفعل أيامًا من وقت تشغيل المفاعل وآلاف الدولارات من السكر والمغذيات والطاقة والعمالة.

والآن تخيّل حادثة تلوث. تدخل البكتيريا إلى المفاعل. قد تأتي من نظام معالجة الهواء، أو من صمام لم يُعقَّم كما ينبغي، أو من إمدادات المياه. لا يكتفي التلوث بإبطاء نمو الخميرة، بل يستهلك بنشاط المغذيات المخصصة لسلالتك المهندَسة. ويُنتج فضلات قد تمسخ بروتينك. ويحوّل دفعتك الباهظة إلى نفايات لا يمكن إنقاذها.

في التجهيزات المختبرية الصغيرة، بدوارق سعتها لتر واحد، وتقنيات تعقيم دقيقة، وباحثين يراقبون باستمرار، يكون التلوث نادرًا. أما في مفاعل حيوي صناعي سعته 10,000 لتر يعمل باستمرار لأيام، بخطوط تغذية متعددة ومنافذ لأخذ العينات وأنظمة للتحكم في الحرارة، فيكون التلوث تهديدًا دائمًا.

يتعامل التصنيع الدوائي مع ذلك بإجراءات بالغة الصرامة: غرف نظيفة، وتعقيم احتياطي متكرر، ومكونات مفاعلات حيوية أحادية الاستخدام، واختبارات جودة مكثفة في كل مرحلة. هذه الإجراءات تنجح. لكن تطبيقها وصيانتها يكلّفان أيضًا ملايين الدولارات.

شركات المواد الحيوية التي تحاول منافسة النايلون لا تستطيع تحمّل تكاليف مكافحة التلوث بالمعايير الدوائية. لكنها أيضًا لا تستطيع تحمّل خسارة الدفعات. فمعدل تلوث يبلغ ولو 5%، أي دفعة فاشلة من كل عشرين، قد يدمّر الجدوى الاقتصادية بالكامل حين تكون هوامشك ضئيلة أصلًا.

تكلفة التنقية التي لا يتحدث عنها أحد

بعد التخمير، يكون لديك حساء بيولوجي معقد: خلايا خميرة، ووسط نمو مستنفد، ونواتج استقلابية ثانوية، وفي مكان ما وسط هذه الفوضى، بروتين حرير العنكبوت الخاص بك. والآن عليك استخلاصه.

هذه العملية، المسماة المعالجة اللاحقة (downstream processing)، كثيرًا ما تكون أغلى أجزاء التصنيع البيولوجي. ففي كثير من منتجات التخمير تمثل إحدى أكبر الحصص من تكلفة الإنتاج، وإن كانت هذه الحصة تتفاوت تفاوتًا كبيرًا من منتج إلى آخر.

يجب فصل البروتين عن الكتلة الخلوية. وهذا يتطلب تكسير الخلايا (إذا كان البروتين داخل الخلايا) أو فصله عن الخلايا (إذا كان مُفرَزًا في الوسط). ثم عليك إزالة جميع البروتينات الأخرى والأحماض النووية والدهون والحطام الخلوي.

ويتضمن ذلك عادةً خطوات متعددة: الطرد المركزي لإزالة الخلايا، والترشيح لإزالة الملوثات الكبيرة، والكروماتوغرافيا لفصل بروتينك عن كل ما عداه، وأخيرًا التركيز لرفع كثافة البروتين إلى المستوى العالي اللازم للغزل.

كل خطوة تكلّف مالًا. فأجهزة الطرد المركزي تستهلك الطاقة. والمرشحات تنسد وتحتاج إلى استبدال. وراتنجات الكروماتوغرافيا باهظة الثمن ودورات إعادة استخدامها محدودة. والتركيز يتطلب إما أغشية ترشيح فائق باهظة الثمن أو تبخيرًا مستهلكًا للطاقة.

والأسوأ أن هذه التكاليف لا تنخفض بالتناسب مع تقليص الحجم. فتشغيل عملية تنقية صغيرة يكلّف لكل كيلوغرام ما يكاد يعادل تكلفة تشغيل عملية كبيرة، لأنك تحتاج إلى المعدات نفسها، ومراقبة الجودة نفسها، والعمالة الماهرة نفسها.

وهذا يخلق حلقة مفرغة. فلا تستطيع تحمّل تكلفة المعدات الصناعية حتى تنتج بكميات صناعية. لكنك لا تستطيع بلوغ الكميات الصناعية بربح حتى تمتلك معدات صناعية تخفض تكاليف التنقية لكل كيلوغرام.

اكتشفت عدة شركات لحرير العنكبوت، بعد سنوات من التطوير، أن تكلفة التنقية وحدها، قبل الغزل أو أي قيمة مضافة، جعلت منتجها عاجزًا عن منافسة المواد القائمة. لقد حسّنت التخمير، وحققت مردودًا عاليًا، ومع ذلك لم تستطع أن تجعل الحسابات الاقتصادية تستقيم.

الاتساق: القاتل الخفي

في المختبر، التفاوت أمر متوقع. فالدفعة أ تنتج 27 غرامًا من البروتين لكل لتر. والدفعة ب تنتج 31 غرامًا لكل لتر. تدوّن الفرق في دفتر المختبر، وتتحرى ما الذي تغيّر، وتمضي قدمًا.

أما في الإنتاج الصناعي، فهذا التفاوت نفسه كارثة. فالعملاء الصناعيون، كمصنّعي النسيج ومتعاقدي الدفاع وشركات الأجهزة الطبية، يشترطون موادَّ ذات خصائص محددة ومضمونة.

فحين يطلبون 1,000 كيلوغرام من ألياف بمقاومة شد تبلغ 1.0 غيغاباسكال واستطالة عند الانقطاع تبلغ 15%، فإنهم يحتاجون إلى أن يستوفي كل كيلوغرام هذه المواصفات.

أي كل كيلوغرام في كل دفعة، لا المتوسط فحسب.

وهذا صعب للغاية في التصنيع البيولوجي. فأداء التخمير يتفاوت مع التغيرات الطفيفة في درجة الحرارة ومعدل الخلط وتوقيت التغذية، بل وحتى عمر المزرعة الخلوية. وتتفاوت جودة البروتين مع ظروف التخمير، فالسلالة الوراثية نفسها قد تنتج بروتينًا بطيّ مختلف قليلًا، وتعديلات مختلفة بعد الترجمة، ونقاء مختلف.

وهذه التفاوتات تتتالى كأحجار الدومينو. فالبروتين المختلف قليلًا الداخل إلى عملية الغزل ينتج أليافًا بخصائص ميكانيكية مختلفة قليلًا. والدفعة التي تخرج عن نطاق التفاوت المسموح في أي من هذه القيم، سواء كانت أكثر جساءة أو أكثر قابلية للتمدد أو أضعف، تمثل مشكلة؛ فالعميل صمّم منتجًا على أساس المواصفات.

يتطلب تحقيق الاتساق من دفعة إلى أخرى تحكمًا هوسيًا في العملية: كل معيار يُحفَظ ضمن نطاقات ضيقة، والمُدخلات، كالمادة الأولية والماء والهواء، تبقى متسقة الجودة، والمعدات تؤدي على النحو نفسه في كل مرة.

تحقق شركات الأدوية ذلك عبر ما يُسمى التحقق من صحة العمليات: توثيق مكثف، وضبط إحصائي للعمليات، واختبارات شاملة. وهي تستطيع تحمّل ذلك لأن هوامش الأدوية هائلة. فقد يُباع دواء بروتيني علاجي بسعر 10,000 دولار للكيلوغرام أو أكثر.

أما بروتين حرير العنكبوت، لكي يكون تنافسيًا بوصفه مادة، فيجب أن يُباع بأقل من 100 دولار للكيلوغرام، ويُفضَّل أن يكون بأقل من 50 دولارًا. ولا هامش لتكاليف مراقبة الجودة المكثفة. لكن لا سوق من دونها أيضًا.

تخيّل التوتر الذي يخلقه ذلك: ألياف بخصائص متوسطة ممتازة، لكن مع تفاوت مفرط بين الدفعات، دفعة عند 90% من قوة خيط الأمان الطبيعي والتالية عند 60%.

بالنسبة إلى العميل الصناعي، يجعل هذا التذبذب المادة غير صالحة للاستخدام. فلا يمكنك تصميم منتج حول مادة لا تستطيع ضمان خصائصها. ولا يهم أن يكون المتوسط جيدًا إذا كان النطاق واسعًا جدًا.

فخ النفقات الرأسمالية

أقسى حقيقة اقتصادية في توسيع إنتاج المواد أن الإنفاق الرأسمالي يحلّ قبل أن تصل الإيرادات.

لإنتاج ألياف حرير العنكبوت بكميات ذات أهمية تجارية، ولنقل 100 طن سنويًا، تحتاج إلى:

– طاقة تخمير على نطاق صناعي: عدة مفاعلات حيوية سعة كل منها 50,000 لتر أو أكثر

– معدات المعالجة اللاحقة: أجهزة طرد مركزي صناعية، وأنظمة ترشيح، وأعمدة كروماتوغرافيا

– معدات غزل الألياف: أنظمة مصممة خصيصًا (لأن معدات الغزل التجارية لا تصلح لحرير العنكبوت)

– مختبرات مراقبة الجودة: معدات تحليلية، ومنصات اختبار، وكوادر مدرَّبة

– البنية التحتية للمنشأة: غرف نظيفة، ومرافق خدمية، ومعالجة النفايات، والتخزين

لا أحد يعرف على وجه اليقين كم تكلّف منشأة قادرة على إنتاج 100 طن سنويًا من ألياف حرير العنكبوت، لأن أي شركة لم تُثبت علنًا وجود منشأة كهذه. لكن علامات التحذير واضحة: فقد سجلت «سبايبر»، أفضل شركات المجال تمويلًا، خسارة استثنائية بقيمة 28 مليار ين (نحو 180 مليون دولار) في عام 2024 بعد أن تأخر بناء مصنع كبير في الولايات المتحدة كثيرًا عن الخطة، واضطرت إلى إعادة هيكلة ديونها في عام 2026.

يجب جمع هذا المال وإنفاقه قبل أن تنتج أول طن تجاري، وقبل أن يكون لديك عملاء أو أي إيرادات، وقبل أن تعرف يقينًا أن عمليتك ستنجح على النطاق الكامل.

هذا ما يسميه أصحاب رأس المال الجريء نموذج عمل «كثيف رأس المال»، وهم يمقتونه. فالشركة المثالية المدعومة برأس المال الجريء خفيفة الأصول: برمجيات، وخدمات، وأشياء تتوسع بحد أدنى من رأس المال الإضافي. أما تصنيع المواد فيجمّد رؤوس أموال ضخمة، وهو بطيء في بلوغ الربحية.

والعوائد أيضًا أقل. فحتى لو سار كل شيء على ما يرام، تبدو شركة المواد أشبه بشركة كيماويات متخصصة منها بشركة برمجيات. فهوامش الربح الإجمالية لشركات الكيماويات المتخصصة الأمريكية تقارب 35% وهوامشها التشغيلية تقارب 12%، أما في البرمجيات فتتجاوز هوامش الربح الإجمالية 70% عادةً. وبالمقدار نفسه من رأس المال المستثمر والمخاطرة، يفضّل أصحاب رأس المال الجريء بكثير تمويل البرمجيات.

وهذا يفسر لماذا نفد المال من كثير من شركات حرير العنكبوت تمامًا حين كانت تقترب من التوسع. فقد جمعت المال لتطوير التقنية، ثم جمعت المزيد لبناء مصنع تجريبي. والآن تحتاج إلى 100 مليون دولار لبناء خط إنتاج تجاري، لكن المستثمرين منهكون، والجدول الزمني يمتد باستمرار، ولا أحد يريد أن يحرر الشيك التالي.

رقصة التوسع المميتة

أقسى جوانب مشكلة توسيع إنتاج المواد الحيوية أنك لا تستطيع التحقق من صحة عمليتك حتى تبني على نطاق واسع، لكنك لا تستطيع تبرير البناء على نطاق واسع حتى تتحقق من صحة عمليتك.

الإنتاج على نطاق صغير، حتى عند 10,000 لتر، لا يتنبأ بأداء العملية عند 100,000 لتر. فديناميكيات الخلط تتغير. ونقل الحرارة يصبح أصعب. ومخاطر التلوث تزداد. وسلوك المعدات يتبدل.

تتعامل شركات الأدوية مع ذلك عبر عملية توسع منهجية: دراسات تجريبية مكثفة، وتوصيف دقيق عند كل مقياس، وتوقعات متحفظة. وهي تستطيع تحمّل ذلك لأنها تعمل على منتج قد يُباع بسعر 100,000 دولار للكيلوغرام.

أما شركات المواد فتعمل على منتج يجب أن يُباع بسعر 50 دولارًا للكيلوغرام. ولا تستطيع تحمّل سنوات من الدراسات التجريبية المتأنية. فالمستثمرون يضغطون عليها لتتحرك بسرعة، وتصل إلى النطاق التجاري سريعًا، وتبدأ في توليد الإيرادات قبل أن ينفد المال.

لذا تقفز قفزات أكبر. فتتوسع من 1,000 لتر إلى 50,000 لتر استنادًا إلى بيانات محدودة، وأحيانًا يسلك المصنع سلوكًا غير متوقع، فيكون التلوث أكثر، أو مردود البروتين أدنى، أو التنقية أضعف.

والآن بنيت منشأة لا تؤدي كما كان متوقعًا، وتكلفتك لكل كيلوغرام أعلى بكثير مما تنبأ به نموذجك، ولا تستطيع جمع مزيد من المال لأنك فشلت بالفعل على النطاق الواسع.

والشركة التي كانت «على بُعد بضع سنوات فقط من الإنتاج التجاري» قد تجد نفسها على بُعد أشهر من الإفلاس.

لماذا «الكيلوغرامات سنويًا» فخ

حين تعلن شركات حرير العنكبوت عن معالم إنتاجية، من قبيل «لقد حققنا طاقة إنتاجية تبلغ 100 كيلوغرام»، فإنها كثيرًا ما تكون محقة تقنيًا لكن بلا معنى اقتصادي.

مئة كيلوغرام سنويًا تكفي لتزويد مختبرات الأبحاث، وصنع مواد للنماذج الأولية، وإثبات المفهوم. لكنها أبعد ما تكون عن الكفاية لتزويد عميل صناعي واحد بخط إنتاج واحد.

على سبيل التوضيح التقريبي، قد يحتاج مصنّع سيارات يستخدم أليافًا عالية الأداء في مكوّن مركّب إلى عشرات الأطنان سنويًا لهذا التطبيق الواحد فقط. وقد يحتاج برنامج للدروع الواقية إلى مئات الأطنان سنويًا. وقد يحتاج مصنّع نسيج إلى الآلاف.

الفجوة بين «نستطيع إنتاج هذا» و«نستطيع إنتاج ما يكفي منه ليُحدث فرقًا» هي حيث تعلق معظم شركات المواد الحيوية. فقد حلّت المشكلة العلمية، وأثبتت التقنية، وها هي الآن محاصرة في مرحلة توسع تتطلب رأس مال لا تستطيع جمعه، وخبرة لا تملكها، ووقتًا لن يمنحها إياه مستثمروها.

تحتفل هذه الشركات بمعالم الكيلوغرامات لأنها تقدم حقيقي مقارنةً بنقطة انطلاقها. لكن المشترين الصناعيين يقيسون الإمدادات بالأطنان، ويهتمون كذلك بالاتساق والسعر.

ولهذا، بعد ثلاثين عامًا من التقدم، وبعد آلاف الأوراق البحثية ومئات الملايين من الاستثمارات، ما زلت لا تستطيع شراء كميات صناعية من ألياف حرير العنكبوت بأسعار ذات جدوى تجارية.

لقد ابتلع وادي الموت كل من حاول عبوره تقريبًا. والقلة الناجون الذين قطعوا جزءًا من الطريق ما زالت تفصلهم سنوات عن الضفة الأخرى، وما زالوا يحرقون المال.

فخ المحاكاة الحيوية: لماذا يفشل «تقليد الطبيعة» مرة بعد مرة

في عام 1941، عاد مهندس سويسري يُدعى جورج دو ميسترال من نزهة في جبال جورا وقد علقت بذور شائكة ببنطاله وبفراء كلبه. وبدلًا من أن يتذمر وينتزعها، فحصها تحت المجهر. كانت الخطاطيف الدقيقة على سطح البذرة قد علقت بحلقات القماش. استغرقه الأمر نحو عقد من التجريب، لكنه بحلول منتصف الخمسينيات كان قد حصل على براءة اختراع الفيلكرو.

هذه هي قصة نشأة المحاكاة الحيوية، التي تتكرر في دراسات الحالة بكليات إدارة الأعمال وفي الكلمات الرئيسية لمؤتمرات الابتكار: انظر إلى الطبيعة، انسخ الآلية، واجنِ الأرباح. إنه إطار مغرٍ. فقد أُتيحت للطبيعة مليارات السنين لتحسين حلولها، وكل ما علينا هو أن نفهم كيف تعمل وننسخها.

صار حرير العنكبوت الرمز الأبرز لهذا النهج. فالتطور أمضى مئات ملايين السنين في إتقان مادة خارقة. وكل ما علينا فعله هو نسخها.

وبعد ثلاثين عامًا، ما زلنا نحاول. والفشل المتواصل يكشف أمرًا مزعجًا عن المحاكاة الحيوية بوصفها استراتيجية للابتكار: أحيانًا يكون تقليد الطبيعة فخًا يقودك بانتظام في الاتجاه الخاطئ.

ما الذي يحسّنه التطور

سوء الفهم الكامن في جذور متاعب صناعة حرير العنكبوت هو هذا: التطور لا يسعى إلى الكفاءة أو التكلفة أو قابلية التوسع. إنه يسعى إلى النجاح التكاثري ضمن سياق بيئي محدد.

نظام إنتاج الحرير لدى العنكبوت مُحسَّن لمفترس منفرد يحتاج إلى إنتاج بضعة أمتار من الألياف يوميًا لاصطياد الحشرات وتجنب أن يُؤكل. ذلك ما كان التطور يحسّنه.

يحتاج النظام إلى أن يعمل بموثوقية كافية: لا على نحو مثالي، بل بما يكفي لإبقاء العنكبوت حيًا مدة تكفي للتكاثر. ويحتاج إلى استخدام الموارد المتاحة للعنكبوت، أي البروتينات من الفرائس المهضومة والطاقة الاستقلابية من تلك الوجبات نفسها. ولا يحتاج إلى أن يكون سريعًا، أو رخيصًا (بالمعنى الاقتصادي)، أو متسقًا بالطرق التي تهم التصنيع الصناعي.

يعيد العنكبوت تدوير شبكته كل يوم، فيأكل الحرير القديم لاستعادة البروتين. وإذا انقطع خيط، صنع العنكبوت ببساطة خيطًا آخر. وإذا تباطأ إنتاج الحرير في صباح بارد، فلا بأس، سيصطاد العنكبوت حشرات أقل ذلك اليوم، لكنه لن يموت جوعًا. فالنظام البيولوجي يتمتع بمرونة وتكرار احتياطي وتسامح مع الخطأ مدمجة فيه.

أما التصنيع الصناعي فلا يحتمل شيئًا من ذلك. فالمصنع الذي ينتج أليافًا أقل بنسبة 20% في الأيام الباردة مصنع فاشل. والعملية التي تتطلب إعادة تدوير الأخطاء وإعادة معالجتها عملية غير اقتصادية. والنظام الذي يعمل «بموثوقية كافية» بدلًا من «على نحو مثالي في كل مرة» يُغلَق.

حسّن التطور العنكبوت للبقاء في الطبيعة، أما المصنع فعليه أن يسعى إلى الربح في السوق، وتلك مسألة أخرى.

قوانين التوسع التي تتجاهلها الطبيعة

ثمة مسألة أعمق: الأنظمة الطبيعية لا تتوسع خطيًا، وكثيرًا ما لا تتوسع على الإطلاق.

تستدق قناة الغزل لدى العنكبوت حتى لا يتجاوز عرضها بضعة ميكرومترات. وتتحرك عجينة الحرير عبرها بأحجام ضئيلة، ويخرج الخيط النهائي بسرعة بضعة سنتيمترات في الثانية أثناء عمل العنكبوت، وبأكثر من متر في الثانية حين يُسحب الخيط بقوة. وتُنشئ هذه الأبعاد ديناميكا موائع محددة: تدفقًا صفائحيًا، وقوى قص مضبوطة، وانتشارًا يمكن التنبؤ به للأيونات وتدرجات الرقم الهيدروجيني.

تخيّل الآن توسيع ذلك. تريد معالجة كمية أكبر بكثير من الحرير، فتبني قناة أطول بعشر مرات وأعرض بعشر مرات، ما يجعل حجمها أكبر بنحو ألف مرة.

لكن الفيزياء لا تتوسع معه، لأن العلاقة بين مساحة سطح النظام وحجمه تتغير مع المقياس.

فإذا ضاعفت الأبعاد الخطية لأنبوب، فإنك تضاعف مساحة سطحه أربع مرات لكنك تزيد حجمه ثماني مرات. وهذا يؤثر في انتقال الحرارة ومعدلات الانتشار وديناميكيات الخلط بطرق لا مفر منها رياضيًا.

والأهم من ذلك أن نظام التدفق يتغير. فقناة العنكبوت الدقيقة تعمل في نطاق تهيمن فيه قوى اللزوجة، فيكون التدفق سلسًا ويمكن التنبؤ به. أما إذا وسّعتها وزدت معدل التدفق للحفاظ على إنتاجية اقتصادية، فيصعب الحفاظ على التوازن بين القص والشد والانتشار والكيمياء الذي يعتمد عليه العنكبوت: إذ تستغرق الأيونات والبروتونات وقتًا أطول للانتشار عبر قناة أعرض، وقد تتشوه البروتينات أسرع مما تستطيع أن تتجمع.

لا توجد طريقة بسيطة للالتفاف على هذا هندسيًا. معادلات ديناميكا الموائع غير خطية، وسلوك الموائع يختلف باختلاف المقياس.

لا يمكنك ببساطة بناء مغزل أكبر. فالمغزل الأكبر يعمل في نظام فيزيائي مختلف لا ينجح فيه حل العنكبوت.

مشكلة التكامل

نظام إنتاج الحرير لدى العنكبوت مندمج في فسيولوجيا العنكبوت بأكملها.

تُزوَّد غدة الحرير بالمغذيات من الجهاز الهضمي للعنكبوت، الذي يكون قد فكّك المواد الخام وعالجها بالفعل. وتحافظ على تدرجات الرقم الهيدروجيني في قناة الغزل خلايا يغذيها استقلاب العنكبوت ويتحكم فيها جهازه العصبي. وتأتي قوة السحب الميكانيكية من أرجل العنكبوت، مع تغذية راجعة حسية عميقة تخبره بدقة بأي سرعة يسحب وأي قدر من الشد يطبق.

فدرجة حرارة جسم العنكبوت تتولى التحكم في الحرارة، ولمفه الدموي (دمه) يمدّه بالأيونات، وجهازه الإخراجي يزيل الفضلات. وإذا لم يكن الحرير يؤدي وظيفته كما ينبغي، تعوّض أنثى العنكبوت ذلك سلوكيًا: تسحب بقوة أكبر، أو تعدّل بنية شبكتها، أو تعيد بناءها بالكامل.

النظام بأكمله ينجح لأنه مدمج في كائن حي يوفر السياق والتحكم والتصحيح تلقائيًا.

والآن حاول أن تنتزع قناة الغزل وحدها وتحاكيها في مصنع. ستحتاج إلى توفير كل تلك الأنظمة الداعمة اصطناعيًا: مضخات لتدوير الأيونات، وأنظمة تحكم لإدارة الرقم الهيدروجيني، وتنظيم لدرجة الحرارة، وحساسات للقوة وحلقات تغذية راجعة، ومعدات تحليلية لاكتشاف أي خلل.

أنت في الواقع تحاول نسخ العنكبوت بأكمله، ناقصًا الأجزاء التي لا تريدها، ويتبين أنك لا تستطيع فصلها فصلًا نظيفًا.

الحل الأنيق الذي تحاول نسخه لا ينجح إلا داخل الكائن الذي يديره.

بنية التكاليف التي لا يكترث بها التطور

لننظر في ما «يكلّفه» إنتاج الحرير للعنكبوت.

بلغة المحاسبة، لا جواب لهذا السؤال. فالعنكبوت لا يشتري مواد أولية. إنه يصطاد فريسة، ويهضمها، ويستخدم الأحماض الأمينية الناتجة. لا فاتورة، ولا سعر للكيلوغرام، ولا تكلفة للبضاعة المباعة.

يوفر استقلاب العنكبوت الطاقة، مدعومًا بالفرائس نفسها، فلا فاتورة كهرباء. والمعدات الرأسمالية، أي غدد الحرير، نمت طبيعيًا في إطار نمو العنكبوت، فلا جدول للإهلاك.

«منشأة التصنيع» لدى العنكبوت تتكاثر ذاتيًا وتصون نفسها بنفسها، ويُدفع ثمنها فرائسَ لا نقودًا، وكذلك موادها الخام وطاقتها. ومراقبة الجودة تغذية راجعة عصبية مدمجة، والعمالة هي العنكبوت نفسه.

والآن تأمّل كم يكلّف المصنعَ إنتاج الحرير:

– المواد الأولية: سكر بسعر أقل بكثير من دولار واحد للكيلوغرام، لكن بعدة كيلوغرامات منه مقابل كل كيلوغرام من البروتين

– الطاقة: كهرباء للمفاعلات الحيوية والمضخات والتحكم في درجة الحرارة والتنقية

– رأس المال: مفاعلات حيوية، ومعدات غزل، ومختبرات لمراقبة الجودة، تُهلَك بمرور الوقت

– العمالة: مشغلون مهرة، ومهندسون، وفنيو مراقبة الجودة

– النفقات العامة: صيانة المنشأة، والامتثال التنظيمي، والتأمين

– التخلص من النفايات: مرق التخمير المستنفد، والدفعات الفاشلة، ومذيبات التنقية

كل تكلفة يدفعها العنكبوت من استقلابه، يدفعها المصنع نقدًا، وكثيرًا ما تكون كبيرة.

حسّن التطور نظامًا تندمج فيه كل هذه التكاليف في الاستقلاب المعتاد للعنكبوت ووظائفه البيولوجية. ونحن نحاول محاكاة المُخرَج بينما ندفع صراحةً ثمن كل مُدخل.

لهذا لم ينجح تقليد الطبيعة، بمعناه الحرفي، في هذه الحالة. كنا نحاول نسخ النتيجة النهائية لعملية تصنيع مع استخدام اقتصاديات وقيود مختلفة تمامًا.

الأمر أشبه بمشاهدة شخص يطهو وجبة في مطبخ منزله والتفكير: «سأنسخ هذا وأفتتح مطعمًا». فالطاهي المنزلي لا يقلق بشأن نسب تكلفة الطعام، أو كفاءة العمالة، أو لوائح إدارة الصحة. أما المطعم فعليه أن يقلق بشأنها جميعًا. والوصفة نفسها تُنتج اقتصاديات مختلفة تمامًا في سياقات مختلفة.

حين تنجح المحاكاة الحيوية

إنصافًا، المحاكاة الحيوية ليست فخًا دائمًا. فالفيلكرو نجح. والأسطح المستوحاة من جلد القرش التي تقلل مقاومة السحب سُوّقت تجاريًا بنجاح. والمواد اللاصقة المستوحاة من الوزغ منتجات حقيقية.

تشترك هذه النجاحات في أمر واحد: لقد نسخت مبدأً لا عملية.

الفيلكرو لا يحاول استنبات البذور الشائكة. بل يستخدم خطاطيف وحلقات من النايلون تُنسج على أنوال صناعية. آلية الخطاطيف التي تعلق بالحلقات محاكية للطبيعة، لكن التنفيذ صناعي.

والأسطح المستوحاة من جلد القرش لا تحاول محاكاة عملية النمو البيولوجي لجلد القرش. بل تستخدم تقنيات التصنيع الدقيق لإنشاء أنماط سطحية مشابهة على مواد مختلفة. النمط محاكٍ للطبيعة، والإنتاج تصنيع تقليدي.

أما الإخفاقات، وحرير العنكبوت أبرز أمثلتها، فتحدث حين تحاول نسخ العملية البيولوجية نفسها وأن تجعل المصنع يتصرف كالكائن الحي.

ينتج العنكبوت الحرير عبر عملية بيولوجية شكّلتها قيود بيولوجية واقتصاديات بيولوجية. ومحاولة محاكاة تلك العملية في سياق صناعي، بقيود صناعية واقتصاديات صناعية، خطأ في التصنيف من أساسه.

التكلفة الغارقة للالتزام

بحلول منتصف العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، كان كثير من باحثي حرير العنكبوت قد أدركوا هذه المشكلة. فنهج المحاكاة الحيوية الخالصة القائم على محاكاة المغزل وتقليد العملية الطبيعية بأكبر قدر ممكن من الدقة لم يكن ينجح. وكلما اقتربت عملية ما من نسخ العنكبوت، صارت أبطأ وأكثر تكلفة.

لكن بحلول ذلك الوقت، كانت مئات الملايين من الدولارات قد أُنفقت على هذا النهج. وكانت الشركات قد بنت منظوماتها التقنية حول الغزل المحاكي للطبيعة. ووظّفت علماء أحياء متخصصين في فسيولوجيا العناكب. وقدّمت طلبات براءات اختراع تصف عمليات تصنيع مستوحاة من الأحياء.

كان الابتعاد عن المحاكاة الحيوية يعني الاعتراف بأن النهج الأساسي كان خاطئًا، وشطب سنوات من البحث، وشرح أسباب تغيير الاستراتيجية الجوهرية للمستثمرين.

لذا تباطأت بعض الشركات في تغيير مسارها، وواصلت محاولة إنجاح نهج المحاكاة الحيوية، معدّلةً المعايير والظروف سعيًا وراء تحسينات هامشية في إطار معيب.

وما إن تلتزم شركة باتجاه ما فكريًا وماليًا وتنظيميًا حتى يصبح تغيير المسار صعبًا.

أما الناجون، أي الشركات التي ما زالت تعمل على حرير العنكبوت اليوم، فقد تخلوا في معظمهم عن المحاكاة الحيوية الخالصة. وتحولوا إلى ما يمكن تسميته الاستلهام الحيوي: استخدام مبادئ من حرير العنكبوت (البنية البروتينية، والبنية البلورية وغير المتبلورة) مع إعادة تصميم عملية التصنيع بالكامل لتلائم الواقع الصناعي.

وتجاوز بعضهم بروتينات العنكبوت، فصمموا بروتينات جديدة (وفي المختبرات الأكاديمية بوليمرات اصطناعية) تستعير البنية الجزيئية للحرير. ولا يحاولون إعادة بناء غدة العنكبوت، بل يعتمدون على تصميم جزيئي متأنٍ يستعير مفاهيم من الطبيعة دون محاولة نسخ طريقة تنفيذها.

قد تنجح هذه المناهج. لكنها لم تعد محاكاة حيوية بالمعنى الدقيق.

ما الذي علّمنا إياه حرير العنكبوت

ما فشل في حرير العنكبوت هو الاستراتيجية. والقصة دراسة حالة في كيف يمكن لاتباع الطبيعة حرفيًا أكثر من اللازم أن يبعدك بانتظام عن الابتكار القابل للحياة.

وإن ظهر حرير عنكبوت صناعي يومًا، فسيأتي من فهم ما يجعل هذا الليف ينجح على المستوى الجزيئي، ثم تصميم عملية مختلفة تحقق نتائج مماثلة بأساليب صناعية واقتصاديات صناعية وقيود صناعية.

وهذا تقريبًا هو المسار الذي سلكته الشركات التي صمدت: استعارة البنية الجزيئية للحرير مع إعادة تصميم عملية التصنيع لتلائم واقع الصناعة.

يقبع العنكبوت في شبكته، حلًا جميلًا لمشكلة لا نعاني منها، وقد أمضت الصناعة سنوات تحاول نسخه لأنه بدا أنيقًا.

تنويه بشأن الذكاء الاصطناعي التوليدي

أُنشئ بعض محتوى هذه الصفحة و/أو حُرِّر بمساعدة الذكاء الاصطناعي التوليدي.

الوسائط

Vũ Bụi – Pexels

Andrii Lobur – Pexels

Chokniti Khongchum – Pexels

Soumyojit Sinha – Pexels

Engin Akyurt – Pexels

Sinan – Pexels

Erick Horta Reyes – Pexels

Rafael Minguet Delgado – Pexels

Jason Reid – Pexels

أبرز المصادر والمراجع

Gosline, Guerette, Ortlepp & Savage (1999). The mechanical design of spider silks: from fibroin sequence to mechanical function. Journal of Experimental Biology 202:3295 https://journals.biologists.com/jeb/article/202/23/3295/8324/The-mechanical-design-of-spider-silks-from-fibroin

Agnarsson, Kuntner & Blackledge (2010). Bioprospecting finds the toughest biological material: extraordinary silk from a giant riverine orb spider. PLoS ONE https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0011234

Spider silk module (extensibility and strength of radial threads) – L. Gross, University of Tennessee https://lgross.utk.edu/LGrossTIEMwebsite/home/gross/public_html/bioed/bealsmodules/spider.html

Spider silk – School of Chemistry, University of Bristol https://www.chm.bris.ac.uk/motm/spider/page2.htm

Selden, Shear & Sutton (2008). Fossil evidence for the origin of spider spinnerets. PNAS https://doi.org/10.1073/pnas.0809174106

Xu & Lewis (1990). Structure of a protein superfiber: spider dragline silk. PNAS 87:7120 https://doi.org/10.1073/pnas.87.18.7120

Nexia’s transgenic “spider goat” to produce milk of steel – The Globe and Mail (13 January 2000) https://www.theglobeandmail.com/report-on-business/nexias-transgenic-spider-goat-to-produce-milk-of-steel/article1035969/

Lazaris et al. (2002). Spider silk fibers spun from soluble recombinant silk produced in mammalian cells. Science https://doi.org/10.1126/science.1065780

Healthcare Acquisition Corp. definitive proxy statement, DEF 14A (12 July 2007; describes PharmAthene’s March 2005 purchase of Nexia’s Protexia assets) – SEC EDGAR https://www.sec.gov/Archives/edgar/data/1326190/000114420407036639/v081056_def14a.htm

A web of possibilities: Utah researcher uses goats to make one of the strongest known substances – Deseret News (5 July 2011) https://www.deseret.com/2011/7/5/20374017/a-web-of-possibilities-utah-researcher-uses-goats-to-make-one-of-the-strongest-known-substances

USU spider silk research – Utah State University Today (2018) https://www.usu.edu/today/index.cfm?id=57744

100 Years of Insulin – US Food and Drug Administration https://www.fda.gov/about-fda/fda-history-exhibits/100-years-insulin

Scheller et al. (2001). Production of spider silk proteins in tobacco and potato. Nature Biotechnology https://doi.org/10.1038/89335

Teulé et al. (2012). Silkworms transformed with chimeric silkworm/spider silk genes spin composite silk fibers with improved mechanical properties. PNAS https://doi.org/10.1073/pnas.1109420109

Xu et al. (2018). Mass spider silk production through targeted gene replacement in Bombyx mori. PNAS https://doi.org/10.1073/pnas.1806805115

Mi et al. (2023). High-strength and ultra-tough whole spider silk fibers spun from transgenic silkworms. Matter https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.08.013

Edlund, Jones, Lewis & Quinn (2018). Economic feasibility and environmental impact of synthetic spider silk production from Escherichia coli. New Biotechnology https://doi.org/10.1016/j.nbt.2017.12.006

Comparing spider silk production technologies – Kraig Biocraft Laboratories (company marketing page) https://www.kraiglabs.com/comparison/

Knight & Vollrath (2001). Changes in element composition along the spinning duct in a Nephila spider. Naturwissenschaften https://doi.org/10.1007/s001140100220

Andersson et al. (2014). Carbonic anhydrase generates CO2 and H+ that drive spider silk formation via opposite effects on the terminal domains. PLoS Biology https://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.1001921

Young, Holland, Shao & Vollrath (2021). Spinning conditions affect structure and properties of Nephila spider silk. MRS Bulletin 46:915 https://doi.org/10.1557/s43577-021-00194-1

Rammensee, Slotta, Scheibel & Bausch (2008). Assembly mechanism of recombinant spider silk proteins. PNAS https://doi.org/10.1073/pnas.0709246105

Holland, Terry, Porter & Vollrath (2006). Comparing the rheology of native spider and silkworm spinning dope. Nature Materials https://doi.org/10.1038/nmat1762

Andersson et al. (2017). Biomimetic spinning of artificial spider silk from a chimeric minispidroin. Nature Chemical Biology https://www.nature.com/articles/nchembio.2269

Kevlar Aramid Fiber Technical Guide – DuPont (archived copy) https://web.archive.org/web/20250503122604/https://www.dupont.com/content/dam/dupont/amer/us/en/safety/public/documents/en/Kevlar_Technical_Guide_0319.pdf

US3767756A – Dry jet wet spinning process (DuPont) – Google Patents https://patents.google.com/patent/US3767756A/en

US4134882A – Poly(ethylene terephthalate) filaments (DuPont) – Google Patents https://patents.google.com/patent/US4134882A/en

Spider silk cape goes on show at V&A – The Guardian (24 January 2012) https://www.theguardian.com/artanddesign/2012/jan/24/spider-silk-cape-show

Golden spider silk – Victoria and Albert Museum https://www.vam.ac.uk/articles/golden-spider-silk

Largest item of clothing woven from spider silk (1,896 g cape, V&A, 2012) – Guinness World Records https://www.guinnessworldrecords.com/world-records/101277-largest-item-of-clothing-woven-from-spider-silk

Réaumur’s assessment of Bon’s spider silk (55,296 and 663,552 spiders per pound), in Barrow (1758), vol. 2 – Heidelberg University Library digital copy https://digi.ub.uni-heidelberg.de/diglit/barrow1758bd2/0307

Spider silk and Réaumur’s 55,296-spider estimate – Household Words, vol. II (1850), Dickens Journals Online https://djo.org.uk/household-words/volume-ii/page-67.html

Liebsch, Fliess, Kuhbier, Vogt & Strauss (2020). Nephila edulis: breeding and care under laboratory conditions. Development Genes and Evolution 230:203 https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC7127998/

Bolt Threads brings a glimpse of the future of advanced materials to SXSW (Microsilk tie) – PR Newswire (10 March 2017) https://www.prnewswire.com/news-releases/bolt-threads-brings-a-glimpse-of-the-future-of-advanced-materials-to-sxsw-300421756.html

Givaudan acquires AMSilk’s cosmetics business – Labiotech.eu (2019) https://www.labiotech.eu/trends-news/givaudan-amsilk-spider-silk-cosmetics/

AMSilk’s silk protein yarns debut in Balenciaga collection (Spring 2026) – AMSilk https://www.amsilk.com/amsilks-silk-protein-yarns-debut-in-balenciaga-collection/

Spiber officially commences operations under new management – Spiber (2026) https://spiber.inc/en/news/new-spiber

Spiber out-of-court workout – Business Insider Japan (March 2026) https://www.businessinsider.jp/article/2603-spiber-out-of-court-workout/

Kraig Biocraft Laboratories ships its first commercial spider silk yarn order – Kraig Biocraft Laboratories (29 September 2026) https://www.kraiglabs.com/kraig-biocraft-laboratories-ships-its-first-commercial-spider-silk-yarn-order-for-performance-sports-brand/

History – Kraig Biocraft Laboratories https://www.kraiglabs.com/history/

From Human Genome to Materials “Genome” – US DOE Office of Science (2014) https://science.osti.gov/Science-Features/News-Archive/Featured-Articles/2014/127050

Materials Market Report 2025 – Textile Exchange https://textileexchange.org/app/uploads/2025/09/Materials-Market-Report-2025.pdf

Outlook of the global aramid fiber industry – Doshine (vendor page) https://www.doshinematerial.com/news/outlook-of-the-global-aramid-fiber-industry-84086734.html

Nylon 6 and nylon 66 price guide – Zhejiang Derun (vendor page) https://www.derunnylon.com/News/nylon-6-and-nylon-66-price-guide-costprice-per-kg-from-china

Margins by sector (US), January 2026 – A. Damodaran, NYU Stern https://pages.stern.nyu.edu/~adamodar/New_Home_Page/datafile/margin.html

World Bank Commodity Price Data (Pink Sheet), October 2026 https://thedocs.worldbank.org/en/doc/74e8be41ceb20fa0da750cda2f6b9e4e-0050012026/related/CMO-Pink-Sheet-October-2026.pdf

The Velcro IP story – WIPO https://www.wipo.int/en/web/ip-advantage/w/stories/the-velcro-ip-story

Wang, Q. & Schniepp, H. C. (2018). Strength of Recluse Spider’s Silk Originates from Nanofibrils. ACS Macro Letters, 7(11), 1364–1370 (author PDF) https://nanomat.as.wm.edu/wiki/_media/public/news/blog/2018-paper-nanofibrils_in_recluse_silk.pdf

Dyneema comprehensive fact sheet – Van Walt https://www.vanwalt.com/pdf/fact-sheets/Dyneema-Comprehensive-factsheet-UHMWPE.pdf

Nyffeler & Birkhofer (2017). An estimated 400-800 million tons of prey are annually killed by the global spider community. The Science of Nature https://doi.org/10.1007/s00114-017-1440-1