W komiksach Spiderman ciska swoim pajęczym jedwabiem na życzenie. W prawdziwym życiu tworzenie sztucznego – lub syntetycznego – jedwabiu pajęczego nie jest prawie tak łatwe. Ale naukowcy znaleźli sposób, aby stworzyć elastyczne, a jednocześnie superwytrzymałe nici.

„Teraz możemy to robić w sposób, w jaki robią to pająki”, mówi Anna Rising.

Pracuje ona na Szwedzkim Uniwersytecie Nauk Rolniczych w Uppsali i w Instytucie Karolinska w Sztokholmie, w Szwecji. Jako biochemik medyczny bada procesy chemiczne ważne dla organizmów żywych. Rising początkowo została weterynarzem. Potem zainteresowało ją wyzwanie, jakim jest stworzenie syntetycznego jedwabiu pajęczego. To może być duża pomoc dla medycyny, dla produkcji, a nawet do produkcji sprzętu do ochrony żołnierzy.

Rising zespół z góry Jan Johansson, inny biochemik medyczny w tych szkołach. Białka jedwabiu pajęczego zainteresowały go z powodu jego pracy nad chorobą Alzheimera. W tej chorobie białko zbija się w grudki w mózgu. Zbitki te blokują normalne funkcje mózgu i uszkadzają komórki nerwowe. A to, jak białka łączą się ze sobą, jest podobne w obu przypadkach.

Pomysł na nowy proces rozwinął się, gdy naukowcy studiowali to, co pająki robią naturalnie.

Każda cząsteczka białka jedwabiu pajęczego jest jak długi łańcuch z trzema podstawowymi częściami. Najdłuższa część ma segmenty, które powtarzają się w kółko (które są znane jako „powtórzenia”). Gdyby spojrzeć na tę długą część pod mikroskopem o dużej mocy, wyglądałaby jak wieże ułożonych na sobie klocków Lego połączonych sprężynami, wyjaśnia Randy Lewis. Jest on biochemikiem na Uniwersytecie Stanowym Utah w Logan i nie pracował nad tym projektem. Zauważa on, że obszary układania klocków Lego zapewniają wytrzymałość. Sprężyste części nadają materiałowi elastyczność, czyli rozciągliwość.

Oddzielna część białka jedwabiu pajęczego znajduje się na początku tej długiej części. Inna część przyczepia się do końca. Białka jedwabiu mogą zaczepiać się o siebie nawzajem, gdy jedwab jest przędzony. To sprawia, że długie odcinki włókien jedwabiu.

Pająki mają gruczoły w brzuchu, które zawierają białka tworzące jedwab w roztworze na bazie wody. Aby stworzyć syntetyczny jedwab pajęczy, zespół Risinga potrzebował składników, które tworzyłyby podobne białka wyjściowe.

Rising rozpoczął od zbierania pająków rybackich z Afryki Południowej. (Ich naukowa nazwa to Euprosthenops australis.) Następnie ona, Johansson i inni naukowcy badali jedwab pająka i jego geny. Na tej podstawie ustalili, z której części kodu genetycznego pająka powstanie białko jedwabiu. Aby stworzyć wiele kopii tych segmentów DNA, użyli procesu zwanego reakcją łańcuchową polimerazy (Puh-LIM-ur-ace), czyli PCR.

Grupa Risinga i Johannssona następnie umieściła ten materiał genetyczny w bitach ich DNA, które łatwo weszłyby do bakterii. Bakterie dodawały te kawałki do swojego DNA i mogły teraz wytwarzać części naturalnego jedwabiu. Ale był jeden problem. Małe ilości, które wytworzyły, nie były zbyt rozpuszczalne w wodzie. Oznaczało to, że zespół nie będzie w stanie wymieszać go z wodnym roztworem, takim jak ten zawarty w gruczołach jedwabnych pająków.

W międzyczasie chińscy badacze wykonali podobną pracę z azjatyckim pająkiem, Araneus ventricosus. Obie grupy połączyły siły i zaprojektowały hybrydowe białko. Wybrali części z każdego gatunku pająka, które byłyby najbardziej rozpuszczalne w wodzie. Część początkowa pochodziła z jedwabiu pająka afrykańskiego. Część końcowa pochodziła od pająka azjatyckiego. W środku naukowcy użyli dwóch powtórzeń z pająka afrykańskiego. (To naturalne białko jedwabiu pająka ma około 100 takich powtórzeń.)

Zespół trenował bakterie, aby zrobić to hybrydowe białko. Następnie zrobili roztwór białka w wodzie, skoncentrowany do 50 procent. Jest to podobne do stężenia w gruczołach pająka.

Uzyskanie białek do produkcji włókien

Następnym wyzwaniem było przędzenie białek we włókna. Jak gruczoł pająka wypompowuje roztwór, pH roztworu spada. (Skala pH mierzy, jak bardzo coś jest kwaśne. Im niższe pH, tym bardziej kwaśny odczyn). Grupa Risinga doszła do wniosku, że musi zrobić coś podobnego.

Aby naśladować sposób, w jaki jedwab pajęczy staje się bardziej kwaśny w miarę jego wyplatania, nowy proces grupy pompuje roztwór przez cienką rurkę. Średnica końcówki rurki zwęża się na końcu. To wymusza skierowanie roztworu białka w strumień. Strumień ten opuszcza się do zlewki z kwaśnym roztworem na bazie wody. Gdy strumień białka przechodzi przez ten płyn, jego pH spada. Pojedyncze białka łączą się wtedy ze sobą. Dzięki temu wypadają one z roztworu jako włókna. Powstałą w ten sposób nitkę syntetycznego jedwabiu można wyciągnąć ze zlewki i nawinąć na szpulę lub kartę.

Badania zespołu ukazały się w numerze Nature Chemical Biology z 9 stycznia.

W kierunku jeszcze mocniejszego jedwabiu

Grupie Lewisa z Utah State udało się już wcześniej rozpuścić białka jedwabiu pajęczego w wodzie. W 2015 roku badacze ci poinformowali o tworzeniu z nich jedwabiu inną metodą. Jednak poziom białka w tym roztworze był znacznie niższy niż to, co osiągnęła grupa Risinga.

Lewis zauważa, że białko jedwabiu wykonane przez grupę Risinga i Johanssona ma tylko kilka powtórzeń. Podejrzewa, że więcej powtórzeń w tym jedwabiu wzmocniłoby nici.

Johansson zgadza się, że lepiej byłoby mieć więcej powtórzeń. Co więcej, uważa on, że utrzymanie wysokiej rozpuszczalności białka również jest ważne. I krótsza powtarzająca się część prawdopodobnie pomaga w tym. Jednak jedwab uzyskany dzięki nowemu procesowi jest już o jedną trzecią mocniejszy od naturalnego jedwabiu pajęczego. Jednak ma tylko dwa procent jak wiele powtórzeń, jak te w Południowej Afryki pająka jedwab.

Nowa praca jest ważna, Lewis mówi. „Zapewnia interesującą okazję do być może uproszczenie procesu przędzenia znacznie”. I, dodaje, jeśli to działa dla dużych białek, „to jest możliwy główny postęp.”

Po tym wszystkim, podnoszenie pająków do zbierania naturalnego jedwabiu jest niepraktyczne. Każdy musiałby być podniesiony sam lub mogą jeść siebie nawzajem. I byłyby inne wyzwania.

Syntetyczny jedwab mógłby mieć wiele zastosowań. „Jedwab pajęczy ma unikalne połączenie wytrzymałości i elastyczności” – zauważa Lewis. W medycynie jedwab pajęczy mógłby służyć jako szwy. Mógłby naprawiać ścięgna. Może pomóc w naprawie uszkodzonych nerwów. Mógłby nawet stanowić szkielet do hodowania zastępczych tkanek w laboratorium.

Dla wojska syntetyczny jedwab pajęczy mógłby znaleźć się w sprzęcie ochronnym. Na przykład, mocne włókna mogłyby pomóc w utrzymaniu maleńkich fragmentów urządzeń wybuchowych przed przenikaniem do skóry i wywoływaniem infekcji. W przemyśle, jedwab pajęczy mógłby być wykorzystywany do produkcji mocnych, lekkich części samolotów lub samochodów. „Jedną z odkrytych przez nas rzeczy jest to, że nie trzeba nawet używać do produkcji włókien” – mówi Lewis. Białka mogłyby być wykorzystywane w powłokach, żelach, foliach lub klejach.

Musimy wykonać jeszcze wiele pracy, zanim ten syntetyczny jedwab będzie gotowy do masowej produkcji. Jednak po 13 latach Rising cieszy się, że jej międzynarodowy zespół w końcu znalazł sposób na naśladowanie tego, jak pająki przędą swój własny jedwab. „To był jeden z tych projektów, w których wszystko po prostu działa” – mówi.

Jest to jeden z serii prezentujących nowości w dziedzinie technologii i innowacji, możliwy dzięki hojnemu wsparciu Fundacji Lemelsona.