Sarjakuvissa Hämähäkkimies heittää hämähäkkisilkkiä mielensä mukaan. Oikeassa elämässä keinotekoisen – tai synteettisen – hämähäkkisilkin tekeminen ei ole läheskään yhtä helppoa. Tutkijat ovat nyt kuitenkin löytäneet keinon valmistaa taipuisia mutta silti supervahvoja säikeitä.

”Nyt voimme tehdä sen niin kuin hämähäkit tekevät sen”, sanoo Anna Rising.

Hän työskentelee Ruotsin maataloustieteiden yliopistossa Uppsalassa ja Karolinska-instituutissa Tukholmassa, Ruotsissa. Lääketieteellisenä biokemistinä hän tutkii elävissä olennoissa tärkeitä kemiallisia prosesseja. Risingista tuli alun perin eläinlääkäri. Sitten hän kiinnostui haasteesta valmistaa synteettistä hämähäkkisilkkiä. Siitä voisi olla suuri apu lääketieteessä, valmistuksessa ja jopa sotilaiden suojavarusteiden valmistuksessa.

Rising lyöttäytyi yhteen Jan Johanssonin kanssa, joka on toinen lääketieteellinen biokemisti näissä kouluissa. Hämähäkin silkkiproteiinit kiinnostivat häntä hänen Alzheimerin tautia koskevan työnsä vuoksi. Tuossa sairaudessa proteiini paakkuuntuu aivoissa. Nämä paakut estävät aivojen normaalit toiminnot ja vahingoittavat hermosoluja. Ja se, miten proteiinit yhdistyvät, on samanlaista molemmissa tapauksissa.

Ajatus uudesta prosessista syntyi, kun tutkijat tutkivat sitä, mitä hämähäkit tekevät luonnostaan.

Jokainen hämähäkin silkkiproteiinin molekyyli on kuin pitkä ketju, jossa on kolme perusosaa. Pisimmässä osassa on segmenttejä, jotka toistuvat kerta toisensa jälkeen (näitä kutsutaan ”toistoiksi”). Jos tuota pitkää osaa tarkasteltaisiin suuritehoisella mikroskoopilla, se näyttäisi jousilla yhdistetyiltä Lego-palikoilta, Randy Lewis selittää. Hän on biokemisti Utahin osavaltion yliopistossa Loganissa eikä työskennellyt projektin parissa. Lego-pinojen alueet antavat lujuutta, hän toteaa. Jousimaiset osat antavat materiaalille elastisuuden eli venyvyyden.

Hämähäkin silkkiproteiinin erillinen osa on tuon pitkän osan alussa. Toinen osa kiinnittyy sen päähän. Silkkiproteiinit voivat kiinnittyä toisiinsa, kun silkkiä kehrätään. Näin saadaan aikaan pitkiä silkkikuituja.

Hämähäkkien vatsassa on rauhasia, jotka sisältävät silkkiä valmistavia proteiineja vesiliuoksessa. Synteettisen hämähäkkisilkin valmistamiseksi Risingin ryhmä tarvitsi rakennusaineita, jotka muodostaisivat samanlaisen lähtöproteiinin.

Rising aloitti keräämällä kalastushämähäkkejä Etelä-Afrikasta. (Niiden tieteellinen nimi on Euprosthenops australis.) Sitten hän, Johansson ja muut tutkijat tutkivat hämähäkin silkkiä ja sen geenejä. Tämän perusteella he saivat selville, mikä osa hämähäkin geneettisestä koodista tuottaa silkkiproteiinia. He käyttivät polymeraasiketjureaktioksi (Puh-LIM-ur-ace) kutsuttua prosessia eli PCR:ää tehdäkseen paljon kopioita näistä DNA-osista.

Risingin ja Johannssonin ryhmä laittoivat sen jälkeen tuon geneettisen materiaalin DNA:nsa sellaisiksi paloiksi, jotka siirtyisivät helposti bakteereihin. Bakteerit lisäsivät nämä palat DNA:hansa ja pystyivät nyt valmistamaan osia luonnon silkistä. Mutta oli yksi ongelma. Pienet määrät, joita he tekivät, eivät olleet kovinkaan liukoisia veteen. Se tarkoitti, että ryhmä ei pystyisi sekoittamaan sitä vesipohjaiseen liuokseen, jollaista hämähäkkien silkkirauhasissa oli.

Kiinalaiset tutkijat tekivät samaan aikaan samanlaista työtä aasialaisen hämähäkin, Araneus ventricosuksen, kanssa. Nämä kaksi ryhmää yhdistivät voimansa ja suunnittelivat hybridiproteiinin. He valitsivat kummastakin hämähäkkilajista ne osat, jotka liukenisivat parhaiten veteen. Lähtöosa tuli afrikkalaisen hämähäkin silkistä. Lopullinen osa oli peräisin aasialaisesta hämähäkistä. Keskiosaan tutkijat käyttivät kahta toistoa afrikkalaisesta hämähäkistä. (Kyseisen hämähäkin luonnollisessa silkkiproteiinissa on noin 100 tällaista toistoa.)

Ryhmä valmensi bakteereja tekemään tätä hybridiproteiinia. Sitten he tekivät proteiinista liuoksen veteen, jonka väkevyys oli jopa 50 prosenttia. Se on samanlainen pitoisuus kuin hämähäkkirauhasissa.

Proteiinien saaminen kuiduiksi

Seuraavaksi haasteeksi tuli proteiinien kehrääminen kuiduiksi. Kun hämähäkkirauhanen pumppaa liuosta ulos, liuoksen pH laskee. (pH-asteikolla mitataan, kuinka hapan jokin asia on. Mitä alhaisempi pH on, sitä happamampi se on.) Risingin ryhmä keksi, että sen on tehtävä jotain vastaavaa.

Ja jäljitelläkseen tapaa, jolla hämähäkkisilkki muuttuu happamammaksi kehrätessä, ryhmän uusi prosessi pumppaa liuosta ohuen putken läpi. Putken kärjen halkaisija kapenee lopussa. Tämä pakottaa proteiiniliuoksen suihkuvirtaan. Virta tyhjenee dekantterilasiin, jossa on hapanta, vesipohjaista liuosta. Kun proteiinisuihku kulkee tämän nesteen läpi, sen pH laskee. Yksittäiset proteiinit yhdistyvät. Tämä saa ne putoamaan liuoksesta kuituina. Näin syntynyt synteettisen silkin säie voidaan vetää ulos dekantterilasista ja kelata puolalle tai kortille.

Ryhmän tutkimus ilmestyy Nature Chemical Biology -lehden 9. tammikuuta ilmestyneessä numerossa.

Tulevaisuus kohti entistä vahvempaa silkkiä

Lewisin ryhmä Utahin osavaltiossa oli jo aiemmin onnistunut liuottamaan hämähäkin silkkiproteiineja veteen. Vuonna 2015 nämä tutkijat kertoivat tekevänsä niistä silkkiä eri menetelmällä. Proteiinien määrä tuossa liuoksessa oli kuitenkin paljon pienempi kuin mitä Risingin ryhmä sai aikaan.

Lewis huomauttaa, että Risingin ja Johanssonin ryhmän tekemässä silkkiproteiinissa on vain pari toistoa. Enemmän toistoja tuossa silkissä vahvistaisi säikeitä, hän epäilee.

Johansson on samaa mieltä siitä, että toistoja voisi olla parempi olla enemmän. Lisäksi hänen mielestään on tärkeää, että proteiini pysyy myös hyvin liukenevana. Ja lyhyempi toistuva osa luultavasti auttaa siinä. Uudella menetelmällä valmistettu silkki on kuitenkin jo noin kolmanneksen vahvempaa kuin luonnon hämähäkin silkki. Silti siinä on vain kaksi prosenttia enemmän toistoja kuin eteläafrikkalaisen hämähäkin silkissä.

Uusi työ on tärkeää, Lewis sanoo. ”Se tarjoaa mielenkiintoisen mahdollisuuden ehkä yksinkertaistaa kehräysprosessia merkittävästi.” Ja hän lisää, että jos se toimii suurille proteiineille, ”se on mahdollisesti merkittävä edistysaskel.”

Loppujen lopuksi hämähäkkien kasvattaminen luonnonsilkin keräämiseksi on epäkäytännöllistä. Jokainen olisi kasvatettava yksin tai ne saattaisivat syödä toisensa. Ja olisi muitakin haasteita.

Synteettisellä silkillä voisi olla paljon käyttöä. ”Hämähäkin silkissä on ainutlaatuinen yhdistelmä sekä lujuutta että kimmoisuutta”, Lewis toteaa. Lääketieteessä hämähäkin silkki voisi toimia ompeleina. Se voisi korjata jänteitä. Se voisi auttaa vaurioituneita hermoja korjautumaan. Se voisi jopa muodostaa kehyksen korvaavien kudosten kasvattamiselle laboratoriossa.

Sotilaskäytössä synteettinen hämähäkkisilkki voisi tulla suojavarusteisiin. Vahvat kuidut saattaisivat esimerkiksi auttaa estämään räjähteiden pieniä sirpaleita tunkeutumasta ihoon ja aiheuttamasta infektioita. Teollisuudessa hämähäkin kaltaisesta silkistä voitaisiin valmistaa vahvoja ja kevyitä osia lentokoneisiin tai autoihin. ”Yksi asia, jonka olemme havainneet, on se, että kuituja ei tarvitse edes käyttää”, Lewis sanoo. Proteiinit voisivat mennä pinnoitteisiin, geeleihin, kalvoihin tai liimoihin.”

Lisätyötä on tehtävä ennen kuin tämä synteettinen silkki on valmis massatuotantoon. Silti 13 vuoden jälkeen Rising on iloinen, että hänen kansainvälinen tiiminsä löysi vihdoin keinon jäljitellä sitä, miten hämähäkit kehräävät omaa silkkiään. ”Se on ollut yksi niistä projekteista, joissa kaikki periaatteessa vain toimii”, hän sanoo.

Tämä on yksi osa sarjaa, jossa esitellään uutisia teknologiasta ja innovaatiosta ja joka on toteutettu Lemelson-säätiön anteliaalla tuella.