Spinnenzijde nu ook zonder spin

Spinnenzijde is een opmerkelijk materiaal. Het heeft slechts een zesde van de densiteit van staal, maar de trekkracht is ongeveer even groot. En het absorbeert beter energie zonder kapot te gaan dan kevlar.

Die combinatie van een laag gewicht, lage densiteit, sterkte en trekkracht maken het een erg geschikt materiaal voor menselijke toepassingen. Maar de fabricage van het spul wordt enkel maar commercieel interessant als de spin zelf uit het productieproces kan gehaald worden.

Dat is niet omdat spinnen angstaanjagende beesten zijn. Wel omdat de zijde uit de spin krijgen, een bijzonder inefficiënt en tijdrovend proces is. Zozeer zelfs dat het bijna onmogelijk is om de volumes te verkrijgen die nodig zijn voor de commerciële productie van spinnenzijde.

Er zijn al verschillende pogingen ondernomen om spinnenzijde op andere manieren te maken, maar dat bleek telkens een erg lastige klus te zijn. Eerst en vooral moet het basismateriaal nagemaakt worden en de moleculaire structuur van ongesponnen spinnenzijde is bijzonder complex. Bovendien moeten ook de spinnenklieren, die de zijde spinnen, nagebouwd worden.

Eerdere pogingen probeerden het door het genetisch manipuleren van zijdewormen, geiten en E. Coli-bacteriën. Zij kregen het genetisch materiaal van spinnen toegediend, in de hoop dat de proteïnen die nodig zijn om spinnenzijde te maken, zouden opduiken.

Die aanpak met bacteriën is nu verder verfijnd door onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology. Hun bevindingen zijn net gepubliceerd in een paper in Nature Communications.

Het team was in het materiaal geïnteresseerd omdat ze vermoeden dat het uitstekend geschikt is voor biomedische toepassingen, zoals bij hechten van organen na orgaantransplantaties. Spinnenzijde is immers biocompatibel met mensen en veroorzaakt geen ongewenste afstotingsreacties. De draadjes moeten ook nooit verwijderd worden, omdat ze na verloop van tijd door het lichaam worden opgenomen.

Vooraleer ze aan de slag gingen met de proteïnes uit genetisch gewijzigde bacteriën, creëerde het team simulaties met schaalbare computermodellen. Daarmee kon de beste samenstelling van de ongesponnen zijde bepaald worden, alsook de ideale “spin”-omstandigheden.

De proteïnen zelf werden opgelost in water en geëxtraheerd langs een zeer kleine opening. Hierdoor vormen de molecules, opgebouwd uit hydrofiele en hydrofobe componenten, een keten en hechten ze zich aan elkaar vast. De verhoudig tussen de verschillende molecules bleek cruciaal: te veel hydrofobe proteïnen en het web kwam er uit als drabbige pap.

Het synthetiseren van de proteïnen zelf duurt verschillende maanden. Als de proporties verkeerd zijn, moet het hele proces van voor af aan opnieuw begonnen worden. De oplossing hier was opnieuw om simulaties uit te voeren. Het was de eerste keer dat er computersimulaties werden gebruikt om de productie van spinnenzijde te onderzoeken op moleculair niveau.

Met de simulaties konden de onderzoekers grote reeksen proteïnes scannen en de onderdelen zoeken om de ideale zijde samen te stellen. Op die manier konden ook veranderingen aan het materiaal aangebracht worden. De zijde die in operaties wordt gebruikt, hoeft bijvoorbeeld niet zo rekbaar te zijn als spinnenzijde en kon dus aangepast worden.

De volgende stap in het onderzoek is het verfijnen van heel het proces. De zijde die nu uit het labo komt, is niet zo sterk als echte spinnenzijde, maar het veranderen van de eigenschappen zou normaliter snel kunnen verwezenlijkt worden door het aanpassen van de bouwstenen. En omdat alles kan gebeuren op kamertemperatuur en met watergebaseerde oplossingen, zou het opschalen naar industriële hoeveelheden geen probleem meer mogen vormen.

Spinnenzijde is een opmerkelijk materiaal. Het heeft slechts een zesde van de densiteit van staal, maar de trekkracht is ongeveer even groot. En het absorbeert beter energie zonder kapot te gaan dan kevlar.

Die combinatie van een laag gewicht, lage densiteit, sterkte en trekkracht maken het een erg geschikt materiaal voor menselijke toepassingen. Maar de fabricage van het spul wordt enkel maar commercieel interessant als de spin zelf uit het productieproces kan gehaald worden.

Dat is niet omdat spinnen angstaanjagende beesten zijn. Wel omdat de zijde uit de spin krijgen, een bijzonder inefficiënt en tijdrovend proces is. Zozeer zelfs dat het bijna onmogelijk is om de volumes te verkrijgen die nodig zijn voor de commerciële productie van spinnenzijde.

Er zijn al verschillende pogingen ondernomen om spinnenzijde op andere manieren te maken, maar dat bleek telkens een erg lastige klus te zijn. Eerst en vooral moet het basismateriaal nagemaakt worden en de moleculaire structuur van ongesponnen spinnenzijde is bijzonder complex. Bovendien moeten ook de spinnenklieren, die de zijde spinnen, nagebouwd worden.

Eerdere pogingen probeerden het door het genetisch manipuleren van zijdewormen, geiten en E. Coli-bacteriën. Zij kregen het genetisch materiaal van spinnen toegediend, in de hoop dat de proteïnen die nodig zijn om spinnenzijde te maken, zouden opduiken.

Die aanpak met bacteriën is nu verder verfijnd door onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology. Hun bevindingen zijn net gepubliceerd in een paper in Nature Communications.

Het team was in het materiaal geïnteresseerd omdat ze vermoeden dat het uitstekend geschikt is voor biomedische toepassingen, zoals bij hechten van organen na orgaantransplantaties. Spinnenzijde is immers biocompatibel met mensen en veroorzaakt geen ongewenste afstotingsreacties. De draadjes moeten ook nooit verwijderd worden, omdat ze na verloop van tijd door het lichaam worden opgenomen.

Vooraleer ze aan de slag gingen met de proteïnes uit genetisch gewijzigde bacteriën, creëerde het team simulaties met schaalbare computermodellen. Daarmee kon de beste samenstelling van de ongesponnen zijde bepaald worden, alsook de ideale “spin”-omstandigheden.

De proteïnen zelf werden opgelost in water en geëxtraheerd langs een zeer kleine opening. Hierdoor vormen de molecules, opgebouwd uit hydrofiele en hydrofobe componenten, een keten en hechten ze zich aan elkaar vast. De verhoudig tussen de verschillende molecules bleek cruciaal: te veel hydrofobe proteïnen en het web kwam er uit als drabbige pap.

Het synthetiseren van de proteïnen zelf duurt verschillende maanden. Als de proporties verkeerd zijn, moet het hele proces van voor af aan opnieuw begonnen worden. De oplossing hier was opnieuw om simulaties uit te voeren. Het was de eerste keer dat er computersimulaties werden gebruikt om de productie van spinnenzijde te onderzoeken op moleculair niveau.

Met de simulaties konden de onderzoekers grote reeksen proteïnes scannen en de onderdelen zoeken om de ideale zijde samen te stellen. Op die manier konden ook veranderingen aan het materiaal aangebracht worden. De zijde die in operaties wordt gebruikt, hoeft bijvoorbeeld niet zo rekbaar te zijn als spinnenzijde en kon dus aangepast worden.

De volgende stap in het onderzoek is het verfijnen van heel het proces. De zijde die nu uit het labo komt, is niet zo sterk als echte spinnenzijde, maar het veranderen van de eigenschappen zou normaliter snel kunnen verwezenlijkt worden door het aanpassen van de bouwstenen. En omdat alles kan gebeuren op kamertemperatuur en met watergebaseerde oplossingen, zou het opschalen naar industriële hoeveelheden geen probleem meer mogen vormen.