I tegneserierne kan Spiderman slynge sin edderkoppesilke efter behag. I virkeligheden er det ikke nær så let at lave kunstig – eller syntetisk – edderkoppesilke. Men forskere har nu fundet en måde at fremstille de fleksible, men superstærke tråde på.

“Nu kan vi gøre det på samme måde, som edderkopper gør det,” siger Anna Rising.

Hun arbejder ved Sveriges landbrugsvidenskabelige universitet i Uppsala og Karolinska Instituttet i Stockholm, Sverige. Som medicinsk biokemiker studerer hun kemiske processer, der er vigtige i levende væsener. Rising blev oprindeligt dyrlæge. Derefter blev hun interesseret i udfordringen med at fremstille syntetisk edderkoppesilke. Det kunne være en stor hjælp til medicin, til fremstilling og endda til fremstilling af udstyr til beskyttelse af soldater.

Rising arbejdede sammen med Jan Johansson, en anden medicinsk biokemiker på disse skoler. Edderkoppesilkeproteiner interesserede ham på grund af hans arbejde med Alzheimers sygdom. Ved denne sygdom klumper et protein sig sammen i hjernen. Disse klumper blokerer normale hjernefunktioner og beskadiger nervecellerne. Og den måde, hvorpå proteinerne samles, ligner hinanden i begge tilfælde.

Ideen til den nye proces udviklede sig, da forskerne studerede, hvad edderkopper gør naturligt.

Hvert molekyle af edderkoppesilkeprotein er som en lang kæde med tre grundlæggende dele. Den længste del har segmenter, der gentager sig igen og igen (som er kendt som “gentagelser”). Hvis man ser på den lange del under et kraftigt mikroskop, vil den ligne tårne af stablede Legoklodser, der er forbundet med fjedre, forklarer Randy Lewis. Han er biokemiker ved Utah State University i Logan og har ikke arbejdet på projektet. Lego-stack-områderne giver styrke, bemærker han. De fjedrende dele giver materialet elasticitet eller strækbarhed.

En separat del af edderkoppesilkeproteinet findes i begyndelsen af denne lange del. En anden del hæfter sig til enden. Silkeproteinerne kan hægte sig på hinanden, når silken spindes. Det giver lange længder af silkefibre.

Spiderne har kirtler i bugen, der indeholder de silkefremstillende proteiner i en vandbaseret opløsning. For at fremstille syntetisk edderkoppesilke havde Risings hold brug for byggesten, der kunne danne et lignende startprotein.

Rising startede med at indsamle fiskespindler fra Sydafrika. (Deres videnskabelige navn er Euprosthenops australis.) Derefter undersøgte hun, Johansson og andre forskere edderkoppens silke og dens gener. Ud fra dette fandt de ud af, hvilken del af edderkoppens genetiske kode der skulle lave silkeproteinet. For at lave masser af kopier af disse DNA-segmenter brugte de en proces, der kaldes polymerasekædereaktion (Puh-LIM-ur-ace) eller PCR.

Rising og Johannssons gruppe satte derefter det genetiske materiale ind i dele af deres DNA, som let ville komme ind i bakterier. Bakterierne tilføjede disse bits til deres DNA og kunne nu lave dele af den naturlige silke. Men der var et problem. De små mængder, de lavede, var ikke særlig opløselige i vand. Det betød, at holdet ikke ville være i stand til at blande det i en vandbaseret opløsning som den, der findes i edderkoppernes silkekirtler.

I mellemtiden har kinesiske forskere udført et lignende arbejde med en asiatisk edderkop, Araneus ventricosus. De to grupper slog sig sammen og designede et hybridprotein. De valgte de dele fra hver edderkopart, som ville være mest opløselige i vand. Den indledende del kom fra den afrikanske edderkoppes silke. Slutdelen var fra den asiatiske edderkop. Til den midterste del brugte forskerne to gentagelser fra den afrikanske edderkop. (Denne edderkoppes naturlige silkeprotein har omkring 100 sådanne gentagelser.)

Teamet trænede bakterier til at lave dette hybridprotein. Derefter lavede de en opløsning af proteinet i vand, der var koncentreret med op til 50 procent. Det svarer til koncentrationen i edderkoppekirtler.

Få proteinerne til at lave fibre

Derpå kom udfordringen med at spinde proteinerne til fibre. Når en edderkoppekirtel pumper opløsningen ud, falder opløsningens pH-værdi. (pH-skalaen måler, hvor surt noget er. Jo lavere pH-værdien er, jo mere surt er det). Risings gruppe fandt ud af, at den var nødt til at gøre noget lignende.

For at efterligne den måde, hvorpå edderkoppesilke bliver mere surt, når det spindes ud, pumper gruppens nye proces opløsningen gennem et tyndt rør. Diameteren på rørets spids bliver smallere i slutningen. Det tvinger proteinopløsningen ind i en jetstrøm. Strømmen tømmes ud i et bægerglas med en sur, vandbaseret opløsning. Når strålestrømmen af protein går gennem denne væske, falder dens pH-værdi. De enkelte proteiner forbindes derefter. Dette får dem til at falde ud af opløsningen som fibre. Den resulterende tråd af syntetisk silke kan trækkes ud af bægerglasset og vikles på en spole eller et kort.

Teamets undersøgelse er offentliggjort i 9. januar i Nature Chemical Biology.

Til endnu stærkere silke

Lewis’ gruppe på Utah State havde allerede formået at opløse edderkoppesilkeproteiner i vand. I 2015 rapporterede disse forskere om at lave dem til en silke ved hjælp af en anden metode. Proteinniveauet i denne opløsning var dog meget lavere end det, Risings gruppe opnåede.

Lewis bemærker, at silkeproteinet, som Rising og Johanssons gruppe har lavet, kun har et par gentagelser. Flere gentagelser i den silke ville styrke trådene, formoder han.

Johansson er enig i, at det måske ville være bedre at have flere gentagelser. Desuden mener han, at det også er vigtigt at holde proteinet meget opløseligt. Og det hjælper den kortere gentagelsesdel sandsynligvis på det. Men silke fremstillet med deres nye proces er allerede nu omkring en tredjedel så stærk som naturlig edderkoppesilke. Alligevel har det kun to procent så mange gentagelser som dem i den sydafrikanske edderkoppes silke.

Det nye arbejde er vigtigt, siger Lewis. “Det giver en interessant mulighed for måske at forenkle spindeprocessen betydeligt.” Og, tilføjer han, hvis det virker for store proteiner, “er det et muligt stort fremskridt.”

Det er trods alt upraktisk at opdrætte edderkopper for at samle natursilke. Hver enkelt ville skulle opdrættes alene, ellers ville de måske spise hinanden. Og der ville være andre udfordringer.

En syntetisk silke kunne have mange anvendelsesmuligheder. “Edderkoppesilke har en unik kombination af både styrke og elasticitet”, bemærker Lewis. Inden for medicin kunne edderkoppesilke fungere som suturer. Det kunne reparere sener. Det kunne hjælpe beskadigede nerver med at reparere sig selv. Det kunne endda danne en ramme for dyrkning af erstatningsvæv i et laboratorium.

For militæret kunne syntetisk edderkoppesilke indgå i beskyttelsesudstyr. De stærke fibre kan f.eks. være med til at forhindre, at små fragmenter fra sprængstoffer trænger ind i huden og forårsager infektioner. I industrien kunne edderkoppesilke bruges til at fremstille stærke, lette dele til fly eller biler. “En af de ting, vi har opdaget, er, at man ikke engang behøver at bruge for at lave fibre”, siger Lewis. Proteinerne kunne indgå i belægninger, geler, film eller klæbemidler.

Der skal gøres mere arbejde, før denne syntetiske silke er klar til masseproduktion. Men efter 13 år er Rising glad for, at hendes internationale hold endelig har fundet en måde at efterligne, hvordan edderkopper spinder deres egen silke. “Det har været et af de projekter, hvor alting stort set bare fungerer”, siger hun.

Dette er et i en serie nyheder om teknologi og innovation, som er muliggjort med generøs støtte fra Lemelson Foundation.