漫画の中でスパイダーマンはクモの糸を自在に投げていますね。 現実には、人工の、つまり合成のクモの糸を作るのは、それほど簡単なことではありません。
「今では、クモが行うような方法で行うことができます」と、Anna Risingは言います。 医学生物化学者として、彼女は生物にとって重要な化学プロセスを研究しています。 ライジングは当初、獣医になった。 その後、合成クモの糸を作るという挑戦に興味を持つようになった。 医療や製造、さらには兵士を守る装備の製造に大きな助けになるかもしれません」
ライジングは、これらの学校のもうひとりの医療生化学者であるヤン・ヨハンソンとチームを組んだのです。 クモの糸タンパク質は、アルツハイマー病の研究から、彼に興味を持たれていました。 この病気では、タンパク質が脳内で凝集します。 この塊が脳の正常な機能を阻害し、神経細胞を損傷するのです。
クモの糸タンパク質の各分子は、3つの基本的な部分を持つ長い鎖のようなものです。 最も長い部分には、何度も繰り返されるセグメントがあります（これは「繰り返し」として知られています）。 その長い部分を高倍率の顕微鏡で見ると、バネでつながったレゴブロックを積み重ねたタワーのように見えると、ランディ・ルイスは説明します。 彼はユタ州立大学（ローガン）の生化学者であり、このプロジェクトには参加していない。 レゴを積み重ねた部分が強度をもたらすのだ、と彼は言う。
クモの糸タンパク質の別の部分が、その長い部分の始まりに見られます。 別の部分は、末端に付着します。 シルクのタンパク質は、シルクが紡がれるときにお互いにフックすることができます。
クモは腹部に腺を持っており、そこにシルクを作るタンパク質が水溶液として含まれています。
ライジングのチームは、合成クモ糸を作るために、同様の出発タンパク質を形成するビルディングブロックを必要としていました。 (そして、ヨハンソン教授と他の研究者たちは、このクモの糸とその遺伝子を研究した。 その結果、クモの遺伝子コードのどの部分が絹タンパク質を作るのかがわかった。 これらのDNAセグメントのコピーをたくさん作るために、彼らはポリメラーゼ（Puh-LIM-ur-ace）連鎖反応、またはPCRと呼ばれるプロセスを使用しました。
RisingとJohannssonのグループは、その遺伝物質を、バクテリアに簡単に入り込むDNA断片に入れました。 バクテリアはこの断片を自分のDNAに加え、天然の絹の一部を作ることができるようになりました。 しかし、ひとつ問題があった。 作ったシルクは少量であるが、水にあまり溶けないのだ。 つまり、クモの絹糸腺に含まれるような水溶液に混ぜることができないのです。
一方、中国の研究者は、アジアのクモであるアラネウス・ベンチコサスで同様の研究を行っていました。 この2つのグループは力を合わせ、ハイブリッドタンパク質を設計しました。 彼らはそれぞれのクモの種から、最も水に溶けやすい部分を選びました。 最初の部分はアフリカのクモの糸からとったものです。 そして最後の部分は、アジアのクモのものでした。 中間部には、アフリカのクモから採取した2つのリピートを使用した。 (そのクモの天然シルクタンパク質は、このような繰り返しが約100個あります。)
研究チームは、このハイブリッドタンパク質を作るように細菌を指導しました。 そして、このタンパク質を水に溶かし、最大50%まで濃縮した溶液を作りました。 この濃度は、クモの巣に含まれる濃度とほぼ同じです。
タンパク質を繊維にする
次に、タンパク質を繊維に紡ぐという課題がありました。 クモの腺から溶液を出すと、溶液のpHが下がります。 (pHは酸性度を表す尺度。 pHが低ければ低いほど、酸性であることを意味する)。
クモ糸が紡ぎ出されるとより酸性になる方法を模倣して、グループの新しいプロセスは、細いチューブを通して液を送り出します。 チューブの先端の直径は、先端で狭くなっています。 そうすると、タンパク質溶液がジェット気流に乗って流れてくる。 この水流は、酸性の水溶液を入れたビーカーに流れ込む。 タンパク質のジェットストリームがその液体を通過するとき、そのpHが下がる。 すると、個々のタンパク質が結合する。 すると、タンパク質が繊維状になり、溶液の外に出てくるのです。 得られた合成シルクの鎖は、ビーカーから引き出して、スプールやカードに巻き付けることができます。
このチームの研究は、『Nature Chemical Biology』の1月9日号に掲載されています。
さらに強いシルクに向けてユタ州立大学のルイスのグループは、すでにクモ糸のタンパク質を水に溶解させることに成功していました。 2015年、この研究者たちは、別の方法でシルクにすることを報告しました。 しかし、その溶液中のタンパク質レベルは、ライジングのグループが達成したものよりもずっと低いものでした
ルイスは、ライジングとヨハンソンのグループが作ったシルクタンパク質は、2、3の繰り返ししかないと指摘します。
この新しい研究は重要だと、ルイスは言います。 「それは、紡績工程を大幅に簡略化できるかもしれない、興味深い機会を提供するものです。 そして、もしそれが大きなタンパク質に対して機能するならば、「それは大きな進歩になる可能性があります」と付け加えました。 それぞれを単独で育てなければなりませんし、お互いを食べ合ってしまうかもしれません。
合成のシルクなら、いろいろな使い道がありそうですね。 「クモの糸は、強度と弾力性の両方を兼ね備えたユニークなものです」と、ルイスは指摘します。 医療では、クモの糸は縫合糸として使えるかもしれません。 腱を修復できるかもしれない。 傷ついた神経を修復するのに役立つかもしれません。 研究室で代替組織を成長させるための骨格を形成するかもしれません。
軍事用には、合成クモの糸が防護服に使われるかもしれません。 たとえば、強力な繊維は、爆発物の小さな破片が皮膚に浸透し、感染症を引き起こすのを防ぐのに役立つかもしれません。 産業界では、クモのようなシルクを使って、飛行機や自動車の丈夫で軽い部品を作ることができるかもしれません。 「我々が発見したことのひとつは、繊維を作るのに使う必要がないことです」とルイスは言う。 この合成シルクが大量生産できるようになるには、さらなる研究が必要です。 しかし13年後、ライジングは、彼女の国際チームがついにクモが絹を紡ぐ方法を模倣する方法を見つけたことを嬉しく思っています。 「と彼女は言います。
これは、レメルソン財団からの寛大な支援により実現した、テクノロジーとイノベーションに関するニュースを紹介するシリーズの1つです。