In de stripverhalen slingert Spiderman zijn spinnenzijde naar believen. In het echt is het maken van kunstmatige – of synthetische – spinnenzijde lang niet zo eenvoudig. Maar onderzoekers hebben nu een manier gevonden om de flexibele en toch supersterke strengen te maken.

“Nu kunnen we het doen zoals spinnen het doen,” zegt Anna Rising.

Zij werkt aan de Zweedse Universiteit voor Landbouwwetenschappen in Uppsala en het Karolinska Instituut in Stockholm, Zweden. Als medisch biochemicus bestudeert ze chemische processen die van belang zijn in levende wezens. Rising werd aanvankelijk dierenarts. Toen raakte ze geïnteresseerd in de uitdaging om synthetische spinnenzijde te maken. Het zou een grote hulp kunnen zijn voor de geneeskunde, voor de fabricage en zelfs voor de productie van uitrusting om soldaten te beschermen.

Rising werkte samen met Jan Johansson, een andere medisch biochemicus aan die scholen. Spinnen zijde proteïnen interesseerden hem vanwege zijn werk aan de ziekte van Alzheimer. Bij die ziekte klontert een proteïne in de hersenen. Die klonters blokkeren de normale hersenfuncties en beschadigen de zenuwcellen. En hoe de proteïnen samenkomen is in beide gevallen gelijk.

Het idee voor het nieuwe proces ontwikkelde zich toen de wetenschappers bestudeerden wat spinnen van nature doen.

Elke molecule van spinnenzijdeproteïne is als een lange ketting met drie basisdelen. Het langste deel heeft segmenten die zich steeds herhalen (deze staan bekend als “herhalingen”). Als je dat lange deel onder een krachtige microscoop bekijkt, lijkt het op torens van op elkaar gestapelde Legoblokjes die door veren met elkaar zijn verbonden, legt Randy Lewis uit. Hij is biochemicus aan de Utah State University in Logan en werkte niet mee aan het project. De Lego-stapelvlakken zorgen voor sterkte, merkt hij op. De verende delen geven het materiaal elasticiteit, of stretch.

Een apart deel van het spinnenzijde-eiwit bevindt zich aan het begin van dat lange gedeelte. Een ander deel hecht zich aan het einde vast. De zijdeproteïnen kunnen zich aan elkaar vasthaken wanneer de zijde wordt gesponnen. Dat maakt lange lengtes van zijdevezels.

Spinnen hebben klieren in hun buik die de zijde makende proteïnen bevatten in een oplossing op waterbasis. Om synthetische spinnenzijde te maken, had het team van Rising bouwstenen nodig die een soortgelijk uitgangseiwit zouden vormen.

Rising begon met het verzamelen van visspinnen uit Zuid-Afrika. (Hun wetenschappelijke naam is Euprosthenops australis.) Daarna bestudeerden zij, Johansson en andere onderzoekers de zijde van de spin en de genen. Zo kwamen ze erachter welk deel van de genetische code van de spin het zijdeproteïne zou maken. Om veel kopieën van die DNA-segmenten te maken, gebruikten zij een proces dat de polymerase (Puh-LIM-ur-ace) kettingreactie, of PCR, wordt genoemd.

Rising en Johannsson’s groep stopten dat genetisch materiaal vervolgens in stukjes DNA die gemakkelijk in bacteriën terecht zouden komen. De bacterie voegde deze stukjes toe aan zijn DNA en kon nu delen van de natuurlijke zijde maken. Maar er was één probleem. De kleine hoeveelheden die ze maakten, waren niet goed oplosbaar in water. Dat betekende dat het team niet in staat zou zijn om het te mengen in een oplossing op waterbasis zoals die in de zijdeklieren van de spinnen zit.

Tussen deden Chinese onderzoekers soortgelijk werk met een Aziatische spin, Araneus ventricosus. De twee groepen bundelden hun krachten en ontwierpen een hybride proteïne. Zij kozen de delen van elke spinnensoort die het best oplosbaar zouden zijn in water. Het begindeel kwam van de zijde van de Afrikaanse spin. Het einddeel was van de Aziatische spin. Voor het middendeel gebruikten de onderzoekers twee herhalingen van de Afrikaanse spin. (Het natuurlijke zijde-eiwit van die spin heeft ongeveer 100 van zulke herhalingen.)

Het team coachte bacteriën om dit hybride eiwit te maken. Dan maakten zij een oplossing van het eiwit in water, geconcentreerd tot 50 percent. Dat is vergelijkbaar met de concentratie in spinnenklieren.

De eiwitten tot vezels maken

Na kwam de uitdaging om de eiwitten tot vezels te spinnen. Als de klier van een spin de oplossing eruit pompt, daalt de pH van de oplossing. (De pH-schaal meet hoe zuur iets is. Hoe lager de pH, hoe zuurder het is). De groep van Rising vond dat er iets soortgelijks moest gebeuren.

Om de manier na te bootsen waarop spinnenzijde zuurder wordt naarmate het wordt uitgesponnen, pompt het nieuwe proces van de groep de oplossing door een dunne buis. De diameter van het uiteinde van de buis wordt aan het einde smaller. Dat dwingt de eiwitoplossing in een straal. De straal loopt leeg in een bekerglas met een zure oplossing op waterbasis. Als de straal proteïne door die vloeistof gaat, daalt de pH. De individuele eiwitten gaan dan een verbinding aan. Hierdoor vallen ze als vezels uit de oplossing. De resulterende streng synthetische zijde kan uit het bekerglas worden getrokken en op een spoel of kaart worden gewikkeld.

De studie van het team verschijnt in het nummer van 9 januari van Nature Chemical Biology.

Tot nog sterkere zijde

Lewis’ groep op Utah State was er al in geslaagd om spinnenzijde-eiwitten in water op te lossen. In 2015 rapporteerden deze onderzoekers dat ze er met een andere methode een zijde van maakten. Het eiwitgehalte in die oplossing was echter veel lager dan wat de groep van Rising bereikte.

Lewis merkt op dat het zijde-eiwit dat door de groep van Rising en Johansson is gemaakt, slechts een paar herhalingen heeft. Meer herhalingen in die zijde zou de strengen sterker maken, vermoedt hij.

Johansson is het ermee eens dat het misschien beter zou zijn om meer herhalingen te hebben. Bovendien denkt hij dat het ook belangrijk is om het eiwit goed oplosbaar te houden. En het kortere herhalende gedeelte helpt daar waarschijnlijk bij. Maar zijde gemaakt met hun nieuwe proces is al ongeveer een derde zo sterk als natuurlijke spinnenzijde. Toch heeft het slechts twee procent van het aantal herhalingen als die in de zijde van de Zuid-Afrikaanse spin.

Het nieuwe werk is belangrijk, zegt Lewis. “Het biedt een interessante mogelijkheid om misschien het spinproces aanzienlijk te vereenvoudigen.” En, voegt hij eraan toe, als het werkt voor grote eiwitten, “het is een mogelijke grote vooruitgang.”

Nadat, het verhogen van spinnen om natuurlijke zijde te verzamelen is onpraktisch. Elk zou alleen moeten worden grootgebracht of zij zouden elkaar kunnen opeten. En er zouden andere uitdagingen zijn.

Een synthetische zijde zou veel toepassingen kunnen hebben. “Spinnenzijde heeft een unieke combinatie van zowel sterkte als elasticiteit,” merkt Lewis op. In de geneeskunde, zou spinnen zijde kunnen werken als hechtingen. Het zou pezen kunnen repareren. Het zou beschadigde zenuwen kunnen helpen zichzelf te herstellen. Het zou zelfs een raamwerk kunnen vormen voor het kweken van vervangingsweefsels in een lab.

Voor het leger zou synthetische spinnenzijde in beschermende uitrusting kunnen worden verwerkt. De sterke vezels zouden bijvoorbeeld kunnen helpen voorkomen dat kleine fragmenten van explosieven de huid binnendringen en infecties veroorzaken. In de industrie zou spinachtige zijde kunnen worden gebruikt om sterke, lichtgewicht onderdelen voor vliegtuigen of auto’s te maken. “Een van de dingen die we hebben ontdekt is dat je niet eens vezels hoeft te gebruiken om vezels te maken,” zegt Lewis. De eiwitten zouden in coatings, gels, films of kleefstoffen kunnen worden verwerkt.

Er moet nog meer werk worden verricht voordat deze synthetische zijde klaar is voor massaproductie. Maar na 13 jaar is Rising blij dat haar internationale team eindelijk een manier heeft gevonden om na te bootsen hoe spinnen hun eigen zijde spinnen. “

Het is een van de projecten waar alles in principe gewoon werkt,” zegt ze.

Dit is een van een serie waarin nieuws over technologie en innovatie wordt gepresenteerd, mogelijk gemaakt met de genereuze steun van de Lemelson Foundation.