Synthesis and Properties of Bombyx Mori Chitosan Nanoascorbate Complexes Based on Oligochitosan and High-molecular-weight Chitosan

في عالم تربية دودة القز الهادئ، حيث يربي المزارعون ديدان القز لإنتاج الحرير، لا يزال هناك تحدٍ مستمر يتمثل في الحفاظ على صحة وإنتاجية اليرقات الرقيقة. هذه الحشرات عرضة للأمراض، ويمكن أن يتوقف نموها بسبب الإجهاد البيئي، مما يؤدي إلى شرانق أقل ووزن أخف. لطالما نظر العلماء إلى الطبيعة بحثاً عن حلول، وتحديداً إلى "الشيتوزان"، وهو مادة طبيعية مشتقة من قشور القشريات أو، في هذه الحالة، من عذرات دودة القز التابعة لشجرة التوت نفسها. يُعرف الشيتوزان بكونه آمناً وقابلاً للتحلل الحيوي وقادراً على محاربة الميكروبات الضارة. ومع ذلك، في شكله الخام، لا يذوب بسهء في الماء، مما يحد من كيفية استخدامه. ولجعله مفيداً، غالباً ما يخلطه الباحثون بمواد أخرى، مثل حمض الأسكوربيك، وهو ببساطة فيتامين سي. عندما تتفاعل هاتان المادتان، يمكنهما تكوين هياكل صغيرة قابلة للذوبان في الماء قد تحمي ديدان القز بشكل أفضل من المكونات وحدها. والسؤال الذي يواجه العلماء ليس فقط ما إذا كانت هذه الخلطات تعمل، بل كيف يمكن بناؤها بأكثر الطرق فعالية وما إذا كان حجم أو هيكل هذه الجسيمات الصغيرة يغير مدى جودة مساعدتها لديدان القز على البقاء والازدهار.

قام باحث في معهد كيمياء وفيزياء البوليمرات في أوزبكستان بمحاولة الإجابة على هذه الأسئلة من خلال إنشاء واختبار نسخ جديدة من هذه الخلطات المكونة من الشيتوزان وفيتامين سي. وقد ركز على طريقتين مختلفتين لصنع المادة. تضمنت الطريقة الأولى أخذ شيتوزان عالي الجودة من عذرات دودة القز وتفكيكه إلى قطع أصغر، تُعرف باسم "أوليغوشيتوزان"، قبل خلطه بفيتامين سي. أما الطريقة الثانية، فقد استخدمت جزيئات الشيتوزان الأصلية الأكبر حجماً ودمجتها مع فيتامين سي باستخدام عامل ربط متقاطع خاص لتماسك الهيكل. وكان الهدف هو معرفة أي طريقة أنتجت الجسيمات الأكثر فعالية وقياس حجم هذه الجسيمات بدقة وكيفية سلوكها في الماء.

وجد الباحث أن الطريقة المستخدمة لإنشاء الخليط غيرت حجم الجسيمات الناتجة بشكل كبير. فعندما استخدموا الشيتوزان الأصغر والمفكك دون أي عوامل تثبيت إضافية، كانت الجسيمات الناتجة صغيرة جداً، بمتوسط حجم يبلغ حوالي 117 نانومتر. في المقابل، عندما استخدموا الشيتوزان الأصلي الأكبر واستخدموا مُثبتاً للمساعدة في تشكيل الجسيمات، كانت الهياكل الناتجة أكبر بكثير، حيث تراوحت بين 360 و380 نانومتر. ومن خلال فحص الجسيمات تحت مجهر قوي يسمى مجهر القوة الذرية، استطاع الباحث رؤية الشكل الفيزيائي لهذه الهياكل. بدت الجسيمات الأصغر كأجسام مسطحة وصغيرة على السطح، بعضها يقل عرضه عن 50 نانومتر، بينما شكلت الجسيمات الأكبر أشكالاً أكثر تعقيداً وتكتلاً. وأكدت هذه الملاحظات أن الباحث نجح في إنشاء نوعين متميزين من البنى النانوية، لكل منهما بصمته الفيزيائية الخاصة.

وبعيداً عن مجرد قياس الحجم، أراد الباحث معرفة ما إذا كانت هذه المواد الجديدة تعمل بالفعل بشكل أفضل من المكونات الأصلية. فقد اختبروا قدرة هذه الخلطات على وقف نمو فطر شائع، وهو "Fusarium oxysporum"، الذي يمكن أن يضر النباتات والحيوانات. وأظهرت النتائج أن الخليط المصنوع من قطع الشيتوزان الأصغر كان الأكثر قوة. فعند اختبار هذا الخليط المحدد، خلق منطقة لا يستطيع الفطر النمو فيها بعرض 34 ملم. وكان هذا أكبر بكثير من المناطق التي أحدثها الشيتوزان الأصلي، أو فيتامين سي الأصلي، أو الجسيمات الأكبر المصنوعة بالمثبت. ويشير هذا إلى أن تفكيك الشيتوزان إلى قطع أصغر قبل خلطه بفيتامين سي يخلق درعاً أقوى مضاداً للميكروبات.

إلا أن الاختبار الأكثر عملية تم في العالم الحقيقي لمزرعة دودة القز. فقد طبق الباحث هذه الخلطات الجديدة على أوراق التوت التي تأكلها ديدان القز. وقام بتربية مجموعتين من ديدان القز: مجموعة أكلت أوراقاً عولجت بالخليط النانوي الجديد، ومجموعة التحكم التي أكلت أوراقاً عولجت بالماء فقط. وكانت النتائج واضحة؛ فديدان القز التي تغذت على الأوراق المعالجة كانت أكثر صحة ومرونة. وفي المجموعة التي تناولت الخليط النانوي، انخفض معدل المرض بشكل كبير، حيث أظهرت حوالي 4.5 بالمائة فقط من اليرقات علامات المرض، مقارنة بنحو 9 بالمائة في مجموعة التحكم. علاوة على ذلك، أنتجت ديدان القز المعالجة شرانق أكثر، وكانت تلك الشرانق أثقل قليلاً. فقد زاد متوسط وزن الشرنقة الواحدة من المجموعة المعالجة بأكثر من 5 بالمائة مقارنة بالمجموعة غير المعالجة.

توضح هذه الدراسة أنه من خلال الهندسة الدقيقة لحجم وهيكل المواد القائمة على الشيتوزان، يمكن للعلماء إنشاء علاج طبيعي بسيط يحسن صحة وإنتاجية ديدان القز. ويسلط العمل الضوء على أن الجسيمات الأصغر، ذات الهيكل المحدد والمصنوعة من الشيتوزان المفكك وفيتامين سي، هي أكثر فعالية في محاربة الأمراض وتعزيز النمو من الهياكل الأكبر والأكثر تعقيداً. وبالنسبة لصناعة تربية دودة القز، يوفر هذا أداة واعدة وصديقة للبيئة لحماية المحاصيل وزيادة الإنتاج دون الاعتماد على المواد الكيميائية القاسية. وتشير النتائج إلى أن طريقة تجميع هذه المواد الطبيعية لا تقل أهمية عن المواد نفسها، مما يفتح مساراً لحلول بيولوجية أكثر فعالية في الزراعة.