A képregényekben Pókember kedvére dobálja a pókselymet. A való életben a mesterséges – vagy szintetikus – pókselyem készítése közel sem ilyen egyszerű. A kutatók azonban most megtalálták a módját annak, hogyan állítsák elő a rugalmas, mégis szupererős szálakat.

“Most már úgy tudjuk csinálni, ahogy a pókok csinálják” – mondja Anna Rising.

A svédországi Uppsalában működő Svéd Agrártudományi Egyetemen és a stockholmi Karolinska Intézetben dolgozik. Orvosi biokémikusként az élőlényekben fontos kémiai folyamatokat tanulmányozza. Rising eredetileg állatorvos lett. Aztán felkeltette érdeklődését a szintetikus pókselyem előállításának kihívása. Ez nagy segítség lehet az orvostudományban, a gyártásban és még a katonák védelmét szolgáló felszerelések előállításában is.

Rising összeállt Jan Johanssonnal, az említett iskolák másik orvosi biokémikusával. A pókselyemfehérjék az Alzheimer-kórral kapcsolatos munkája miatt érdekelték őt. Ebben a betegségben egy fehérje összecsomósodik az agyban. Ezek a csomók blokkolják a normális agyi funkciókat és károsítják az idegsejteket. És az, ahogy a fehérjék összeállnak, mindkét esetben hasonló.

Az új eljárás ötlete akkor alakult ki, amikor a tudósok azt tanulmányozták, amit a pókok a természetben csinálnak.

A pókselyemfehérje minden molekulája olyan, mint egy hosszú lánc, amelynek három alapvető része van. A leghosszabb résznek vannak olyan szegmensei, amelyek újra és újra ismétlődnek (ezeket nevezzük “ismétlődéseknek”). Ha ezt a hosszú részt egy nagy teljesítményű mikroszkóp alatt nézzük, úgy néz ki, mintha egymásra rakott Lego-kockák tornyai lennének, amelyeket rugók kötnek össze – magyarázza Randy Lewis. Ő a logani Utah Állami Egyetem biokémikusa, és nem dolgozott a projekten. A Lego-halmozott területek biztosítják a szilárdságot, jegyzi meg. A rugós részek adják az anyag rugalmasságát, vagyis nyúlékonyságát.

A pókselyemfehérje egy különálló része ennek a hosszú résznek az elején található. Egy másik rész a végéhez kapcsolódik. A selyemfehérjék egymásba akadhatnak, amikor a selymet fonják. Így hosszú selyemszálak keletkeznek.

A pókok hasában mirigyek vannak, amelyek a selyemkészítő fehérjéket vízalapú oldatban tartalmazzák. A szintetikus pókselyem előállításához Rising csapatának olyan építőelemekre volt szüksége, amelyek hasonló kiindulási fehérjét képeznek.

Rising azzal kezdte, hogy halászpókokat gyűjtött Dél-Afrikából. (Tudományos nevük Euprosthenops australis.) Ezután ő, Johansson és más kutatók tanulmányozták a pók selymét és génjeit. Ebből rájöttek, hogy a pók genetikai kódjának melyik része készíti a selyemfehérjét. Ahhoz, hogy ezekből a DNS-szakaszokból sok másolatot készítsenek, egy polimeráz (Puh-LIM-ur-ace) láncreakciónak, azaz PCR-nek nevezett eljárást alkalmaztak.

Rising és Johannsson csoportja ezután ezt a genetikai anyagot olyan DNS-darabkákba tette, amelyek könnyen bejutnak a baktériumokba. A baktérium hozzáadta ezeket a biteket a DNS-éhez, és most már képes volt a természetes selyem egyes részeit előállítani. De volt egy probléma. Az általuk előállított kis mennyiség nem nagyon oldódott vízben. Ez azt jelentette, hogy a csapat nem tudta volna belekeverni egy olyan vízalapú oldatba, mint amilyet a pókok selyemmirigyei tartalmaznak.

Eközben kínai kutatók hasonló munkát végeztek egy ázsiai pókkal, az Araneus ventricosusszal. A két csoport egyesítette erőit, és megterveztek egy hibrid fehérjét. Mindegyik pókfajból kiválasztották azokat a részeket, amelyek a legjobban oldódnak vízben. A kiindulási rész az afrikai pók selyméből származott. A végső rész az ázsiai pókból származott. A középső részhez a kutatók két ismétlődést használtak az afrikai pókból. (Ennek a póknak a természetes selyemfehérjéje körülbelül 100 ilyen ismétlődést tartalmaz.)

A csapat baktériumokat tanított meg arra, hogy készítsék el ezt a hibrid fehérjét. Ezután a fehérjéből vízben, akár 50 százalékos koncentrációban oldatot készítettek. Ez hasonló a pókmirigyekben lévő koncentrációhoz.

A fehérjéket szálakká alakítani

A következő kihívás az volt, hogy a fehérjéket szálakká fonják. Ahogy a pók mirigye kipumpálja az oldatot, az oldat pH-ja csökken. (A pH-skála azt méri, hogy valami mennyire savas. Minél alacsonyabb a pH, annál savasabb). Rising csoportja úgy gondolta, hogy valami hasonlót kell csinálni.

A csoport új eljárása egy vékony csövön keresztül pumpálja az oldatot, hogy utánozza azt, ahogy a pókselyem savasabbá válik a kifacsarás során. A cső végének átmérője a végén szűkül. Ez a fehérjeoldatot egy sugáráramba kényszeríti. A sugár egy savas, vizes oldatot tartalmazó főzőpohárba ürül. Ahogy a fehérje sugárnyaláb áthalad ezen a folyadékon, annak pH-ja csökken. Az egyes fehérjék ekkor összekapcsolódnak. Ezáltal szálakként hullanak ki az oldatból. Az így keletkező szintetikus selyemszálat ki lehet húzni a főzőpohárból, és egy orsóra vagy kártyára lehet tekerni.

A csoport tanulmánya a Nature Chemical Biology január 9-i számában jelenik meg.

A még erősebb selyem felé

Lewis csoportjának a Utah Államban már sikerült pókselyemfehérjéket vízben feloldani. Ezek a kutatók 2015-ben arról számoltak be, hogy egy másik módszerrel selyemmé alakították őket. Abban az oldatban azonban a fehérje mennyisége sokkal alacsonyabb volt, mint amit Rising csoportja elért.

Lewis megjegyzi, hogy a Rising és Johansson csoportja által készített selyemfehérje csak néhány ismétlődést tartalmaz. Gyanítja, hogy több ismétlődés abban a selyemben megerősítené a szálakat.

Johansson egyetért azzal, hogy talán jobb lenne, ha több ismétlődés lenne. Ráadásul szerinte az is fontos, hogy a fehérje jól oldódó legyen. És a rövidebb ismétlődő szakasz valószínűleg segít ebben. Az új eljárásukkal előállított selyem azonban már most is körülbelül egyharmad olyan erős, mint a természetes pókselyem. Mégis csak két százalékkal több ismétlődés van benne, mint a dél-afrikai pók selymében.

Az új munka fontos, mondja Lewis. “Érdekes lehetőséget nyújt arra, hogy talán jelentősen leegyszerűsítsük a fonási folyamatot”. És hozzáteszi, ha ez a nagy fehérjék esetében is működik, “akkor ez egy lehetséges nagy előrelépés.”

A természetes selyem gyűjtésére pókokat tenyészteni ugyanis nem praktikus. Mindegyiket egyedül kellene felnevelni, különben megennék egymást. És egyéb kihívások is lennének.

A szintetikus selyemnek rengeteg felhasználási módja lehet. “A pókselyem az erő és a rugalmasság egyedülálló kombinációjával rendelkezik” – jegyzi meg Lewis. Az orvostudományban a pókselyem varratként működhetne. Javíthatná az inakat. Segíthet a sérült idegek öngyógyításában. Akár keretet is képezhetne a pótló szövetek laboratóriumi növesztéséhez.

A hadsereg számára a szintetikus pókselymet védőfelszerelésekbe lehetne beépíteni. Az erős szálak például segíthetnek megakadályozni, hogy a robbanószerkezetek apró darabjai behatoljanak a bőrbe és fertőzéseket okozzanak. Az iparban a pókszerű selymet felhasználhatnák repülőgépek vagy autók erős, könnyű alkatrészeinek előállítására. “Az egyik dolog, amit felfedeztünk, hogy nem is kell felhasználni a szálak előállításához” – mondja Lewis. A fehérjék bevonatokba, gélekbe, filmekbe vagy ragasztókba kerülhetnének.”

Még több munkát kell végezni, mielőtt ez a szintetikus selyem készen áll a tömeggyártásra. Mégis, 13 év után Rising örül, hogy nemzetközi csapata végre megtalálta a módját annak, hogy utánozzák, hogyan fonják a pókok a saját selymüket. “Ez volt az egyik olyan projekt, ahol alapvetően minden működik” – mondja.

Ez az egyik része a technológiai és innovációs híreket bemutató sorozatnak, amely a Lemelson Alapítvány nagylelkű támogatásával valósulhatott meg.