Dans les bandes dessinées, Spiderman lance sa soie d’araignée à volonté. Dans la vie réelle, fabriquer de la soie d’araignée artificielle – ou synthétique – est loin d’être aussi facile. Mais les chercheurs ont maintenant trouvé un moyen de fabriquer ces brins flexibles mais super solides.

« Maintenant, nous pouvons le faire de la manière dont les araignées le font », déclare Anna Rising.

Elle travaille à l’Université suédoise des sciences agricoles à Uppsala et à l’Institut Karolinska à Stockholm, en Suède. En tant que biochimiste médicale, elle étudie les processus chimiques importants dans les êtres vivants. Au départ, Rising est devenue vétérinaire. Puis elle s’est intéressée au défi que représente la fabrication de soie d’araignée synthétique. Elle pourrait être d’une grande aide pour la médecine, la fabrication et même la production d’équipements pour protéger les soldats.

Rising a fait équipe avec up Jan Johansson, un autre biochimiste médical de ces écoles. Les protéines de soie d’araignée l’intéressaient en raison de ses travaux sur la maladie d’Alzheimer. Dans cette maladie, une protéine s’agglomère dans le cerveau. Ces amas bloquent les fonctions normales du cerveau et endommagent les cellules nerveuses. Et la façon dont les protéines s’assemblent est similaire dans les deux cas.

L’idée du nouveau procédé s’est développée lorsque les scientifiques ont étudié ce que les araignées font naturellement.

Chaque molécule de protéine de soie d’araignée est comme une longue chaîne avec trois parties de base. La partie la plus longue a des segments qui se répètent encore et encore (qui sont connus sous le nom de « répétitions »). Si vous regardez cette longue partie sous un microscope à haute puissance, elle ressemble à des tours de blocs Lego empilés et reliés par des ressorts, explique Randy Lewis. Il est biochimiste à l’université d’État de l’Utah à Logan et n’a pas travaillé sur le projet. Les parties en forme de pile de Lego assurent la solidité, note-t-il. Les sections élastiques donnent au matériau de l’élasticité, ou étirement.

Une partie distincte de la protéine de la soie d’araignée se trouve au début de cette longue portion. Une autre partie s’attache à l’extrémité. Les protéines de la soie peuvent s’accrocher les unes aux autres lorsque la soie est filée. Cela permet de fabriquer de grandes longueurs de fibres de soie.

Les araignées ont des glandes dans leur abdomen qui contiennent les protéines de fabrication de la soie dans une solution à base d’eau. Pour fabriquer de la soie d’araignée synthétique, l’équipe de Rising avait besoin de blocs de construction qui formeraient une protéine de départ similaire.

Rising a commencé par collecter des araignées de pêche en Afrique du Sud. (Leur nom scientifique est Euprosthenops australis.) Ensuite, elle, Johansson et d’autres chercheurs ont étudié la soie de l’araignée et ses gènes. Ils ont ainsi pu déterminer quelle partie du code génétique de l’araignée permettait de fabriquer la protéine de la soie. Pour faire de nombreuses copies de ces segments d’ADN, ils ont utilisé un processus appelé réaction en chaîne par polymérase (Puh-LIM-ur-ace), ou PCR.

Le groupe de Rising et Johannsson a ensuite mis ce matériel génétique dans des bits de leur ADN qui entreraient facilement dans les bactéries. La bactérie a ajouté ces bits à son ADN et pouvait maintenant fabriquer des parties de la soie naturelle. Mais il y avait un problème. Les petites quantités fabriquées n’étaient pas très solubles dans l’eau. Cela signifiait que l’équipe ne pourrait pas les mélanger dans une solution à base d’eau comme celle contenue dans les glandes à soie des araignées.

Pendant ce temps, des chercheurs chinois ont fait un travail similaire avec une araignée asiatique, Araneus ventricosus. Les deux groupes ont uni leurs forces et ont conçu une protéine hybride. Ils ont choisi les parties de chaque espèce d’araignée qui seraient les plus solubles dans l’eau. La partie initiale provenait de la soie de l’araignée africaine. La partie finale provenait de l’araignée asiatique. Pour le milieu, les chercheurs ont utilisé deux répétitions de l’araignée africaine. (La protéine de soie naturelle de cette araignée compte environ 100 répétitions de ce type.)

L’équipe a entraîné les bactéries à fabriquer cette protéine hybride. Puis ils ont fait une solution de la protéine dans l’eau, concentrée jusqu’à 50 %. C’est similaire à la concentration dans les glandes d’araignée.

Pour obtenir les protéines pour faire des fibres

Vient ensuite le défi de filer les protéines en fibres. Au fur et à mesure que la glande de l’araignée pompe la solution, le pH de la solution diminue. (L’échelle du pH mesure l’acidité d’une substance. Plus le pH est bas, plus la chose est acide). Le groupe de Rising s’est dit qu’il fallait faire quelque chose de similaire.

Pour imiter la façon dont la soie d’araignée devient plus acide lorsqu’elle est filée, le nouveau procédé du groupe pompe la solution à travers un tube fin. Le diamètre de l’extrémité du tube se rétrécit à son extrémité. Cela force la solution de protéines à former un jet. Ce jet se déverse dans un bécher contenant une solution acide à base d’eau. Comme le jet de protéines traverse ce liquide, son pH chute. Les protéines individuelles se lient alors. Elles tombent alors de la solution sous forme de fibres. Le brin de soie synthétique qui en résulte peut être tiré du bécher et enroulé sur une bobine ou une carte.

L’étude de l’équipe apparaît dans l’édition du 9 janvier de Nature Chemical Biology.

Vers une soie encore plus résistante

Le groupe de Lewis à Utah State avait déjà réussi à dissoudre des protéines de soie d’araignée dans l’eau. En 2015, ces chercheurs ont rapporté les avoir transformées en une soie en utilisant une méthode différente. Cependant, le niveau de protéines dans cette solution était beaucoup plus faible que celui obtenu par le groupe de Rising.

Lewis note que la protéine de soie fabriquée par le groupe de Rising et Johansson n’a que quelques répétitions. Un plus grand nombre de répétitions dans cette soie renforcerait les brins, soupçonne-t-il.

Johansson convient qu’il serait préférable d’avoir plus de répétitions. De plus, il pense qu’il est également important de garder la protéine hautement soluble. Et la section répétitive plus courte y contribue probablement. Mais la soie fabriquée selon ce nouveau procédé est déjà environ un tiers aussi solide que la soie d’araignée naturelle. Pourtant, elle ne comporte que deux pour cent des répétitions de la soie de l’araignée sud-africaine.

Ces nouveaux travaux sont importants, selon Lewis. « Il offre une opportunité intéressante pour peut-être simplifier le processus de filage de manière significative ». Et, ajoute-t-il, si cela fonctionne pour les grandes protéines, « c’est une avancée majeure possible ».

Après tout, élever des araignées pour récolter de la soie naturelle n’est pas pratique. Chacune devrait être élevée seule ou elles pourraient se manger entre elles. Et il y aurait d’autres défis.

Une soie synthétique pourrait avoir de nombreuses utilisations. « La soie d’araignée a une combinaison unique de force et d’élasticité », note Lewis. En médecine, la soie d’araignée pourrait servir de suture. Elle pourrait réparer les tendons. Elle pourrait aider les nerfs endommagés à se réparer. Elle pourrait même former un cadre pour la culture de tissus de remplacement en laboratoire.

Pour les militaires, la soie d’araignée synthétique pourrait entrer dans les équipements de protection. Par exemple, les fibres solides pourraient aider à empêcher les petits fragments d’engins explosifs de pénétrer dans la peau et de provoquer des infections. Dans l’industrie, la soie d’araignée pourrait être utilisée pour fabriquer des pièces solides et légères pour les avions ou les voitures. « L’une des choses que nous avons découvertes est qu’il n’est même pas nécessaire d’utiliser la soie pour fabriquer des fibres », explique M. Lewis. Les protéines pourraient entrer dans des revêtements, des gels, des films ou des adhésifs.

Plus de travail doit être fait avant que cette soie synthétique soit prête pour une production de masse. Pourtant, après 13 ans, Rising est heureuse que son équipe internationale ait enfin trouvé un moyen d’imiter la façon dont les araignées filent leur propre soie. « C’est l’un des projets où tout fonctionne, en gros », dit-elle.

Ceci fait partie d’une série présentant des nouvelles sur la technologie et l’innovation, rendue possible grâce au généreux soutien de la Fondation Lemelson.