În benzile desenate, Spiderman își aruncă mătasea de păianjen în voie. În viața reală, fabricarea mătăsii de păianjen artificiale – sau sintetice – nu este nici pe departe la fel de ușoară. Dar cercetătorii au găsit acum o modalitate de a face firele flexibile, dar super-rezistente.

„Acum putem să o facem așa cum o fac păianjenii”, spune Anna Rising.

Aceasta lucrează la Universitatea Suedeză de Științe Agricole din Uppsala și la Institutul Karolinska din Stockholm, Suedia. În calitate de biochimist medical, ea studiază procesele chimice importante în ființele vii. Rising a devenit inițial medic veterinar. Apoi a fost interesată de provocarea de a face mătase de păianjen sintetică. Aceasta ar putea fi de mare ajutor pentru medicină, pentru producție și chiar pentru producerea de echipamente de protecție a soldaților.

Rising a făcut echipă cu până Jan Johansson, un alt biochimist medical de la aceste școli. Proteinele din mătase de păianjen l-au interesat datorită activității sale în domeniul bolii Alzheimer. În această boală, o proteină se aglomerează în creier. Aceste aglomerări blochează funcțiile normale ale creierului și deteriorează celulele nervoase. Iar modul în care proteinele se unesc este similar în ambele cazuri.

Ideea pentru noul proces s-a dezvoltat pe măsură ce oamenii de știință au studiat ceea ce fac păianjenii în mod natural.

Care moleculă de proteină din mătase de păianjen este ca un lanț lung cu trei părți de bază. Cea mai lungă parte are segmente care se repetă la nesfârșit (care sunt cunoscute sub numele de „repetări”). Dacă te uiți la acea parte lungă la un microscop de mare putere, ar arăta ca niște turnuri de blocuri Lego stivuite, conectate prin arcuri, explică Randy Lewis. El este biochimist la Universitatea de Stat din Utah din Logan și nu a lucrat la acest proiect. Zonele cu stive de Lego asigură rezistența, notează el. Secțiunile elastice dau materialului elasticitate, sau întindere.

O parte separată a proteinei mătasei de păianjen se găsește la începutul acelei porțiuni lungi. O altă parte se atașează la capăt. Proteinele de mătase se pot agăța una de cealaltă atunci când mătasea este filată. Astfel se obțin lungimi lungi de fibre de mătase.

Păianjenii au glande în abdomenul lor care conțin proteinele producătoare de mătase într-o soluție pe bază de apă. Pentru a face mătase de păianjen sintetică, echipa lui Rising avea nevoie de blocuri de construcție care să formeze o proteină de pornire similară.

Rising a început prin a colecta păianjeni pescari din Africa de Sud. (Numele lor științific este Euprosthenops australis.) Apoi, ea, Johansson și alți cercetători au studiat mătasea păianjenului și genele sale. De aici, și-au dat seama ce parte a codului genetic al păianjenului ar produce proteina mătăsii. Pentru a face o mulțime de copii ale acelor segmente de ADN, au folosit un proces numit reacție în lanț a polimerazei (Puh-LIM-ur-ace), sau PCR.

Grupul lui Rising și Johannsson a pus apoi acel material genetic în bucăți din ADN-ul lor care ar intra cu ușurință în bacterii. Bacteria a adăugat acești biți la ADN-ul său și putea acum să producă părți din mătasea naturală. Dar a existat o problemă. Cantitățile mici pe care le făceau nu erau foarte solubile în apă. Asta însemna că echipa nu ar fi putut să le amestece într-o soluție pe bază de apă precum cea conținută în glandele de mătase ale păianjenilor.

Între timp, cercetătorii chinezi au făcut o muncă similară cu un păianjen asiatic, Araneus ventricosus. Cele două grupuri și-au unit forțele și au conceput o proteină hibridă. Ei au ales părțile din fiecare specie de păianjen care ar fi fost cele mai solubile în apă. Partea de pornire a provenit din mătasea păianjenului african. Partea finală a provenit de la păianjenul asiatic. Pentru partea de mijloc, cercetătorii au folosit două repetări de la păianjenul african. (Proteina de mătase naturală a acelui păianjen are aproximativ 100 de astfel de repetări.)

Echipa a antrenat bacteriile pentru a produce această proteină hibridă. Apoi au făcut o soluție de proteină în apă, concentrată până la 50 la sută. Aceasta este similară cu concentrația din glandele de păianjen.

Obținerea proteinelor pentru a face fibre

A urmat provocarea de a fila proteinele în fibre. Pe măsură ce o glandă de păianjen pompează soluția, pH-ul soluției scade. (Scara pH-ului măsoară cât de acid este ceva. Cu cât pH-ul este mai mic, cu atât este mai acid). Grupul lui Rising și-a dat seama că trebuie să facă ceva similar.

Pentru a imita modul în care mătasea de păianjen devine mai acidă pe măsură ce este înfășurată, noul proces al grupului pompează soluția printr-un tub subțire. Diametrul vârfului tubului se îngustează la capăt. Acest lucru forțează soluția de proteine într-un jet de aer. Fluxul se golește într-un pahar cu o soluție acidă, pe bază de apă. Pe măsură ce jetul de proteine trece prin acel lichid, pH-ul acestuia scade. Proteinele individuale se leagă apoi între ele. Acest lucru le face să cadă din soluție sub formă de fibre. Firul de mătase sintetică rezultat poate fi scos din pahar și înfășurat pe o bobină sau pe un card.

Studiul echipei apare în ediția din 9 ianuarie a revistei Nature Chemical Biology.

Cu scopul de a obține o mătase și mai rezistentă

Grupul lui Lewis de la Utah State reușise deja să dizolve proteine de mătase de păianjen în apă. În 2015, acești cercetători au raportat că le-au transformat într-o mătase folosind o metodă diferită. Cu toate acestea, nivelul de proteine din acea soluție a fost mult mai mic decât cel obținut de grupul lui Rising.

Lewis remarcă faptul că proteina de mătase realizată de grupul lui Rising și Johansson are doar câteva repetări. Mai multe repetări în acea mătase ar întări firele, bănuiește el.

Johansson este de acord că ar fi mai bine să aibă mai multe repetări. Mai mult, el crede că este importantă și menținerea unei proteine foarte solubile. Iar secțiunea de repetare mai scurtă probabil că ajută în acest sens. Dar mătasea obținută prin noul lor proces este deja cu o treime mai rezistentă decât mătasea naturală de păianjen. Cu toate acestea, ea are doar două procente la fel de multe repetări ca cele din mătasea păianjenului sud-african.

Noua lucrare este importantă, spune Lewis. „Oferă o oportunitate interesantă pentru a simplifica poate semnificativ procesul de filare”. Și, adaugă el, dacă funcționează pentru proteinele mari, „este un posibil avans major.”

La urma urmei, creșterea păianjenilor pentru a aduna mătasea naturală nu este practică. Fiecare ar trebui să fie crescut singur sau s-ar putea să se mănânce între ei. Și ar exista și alte provocări.

O mătase sintetică ar putea avea o mulțime de utilizări. „Mătasea de păianjen are o combinație unică atât de rezistență, cât și de elasticitate”, notează Lewis. În medicină, mătasea de păianjen ar putea funcționa ca sutură. Ar putea repara tendoanele. Ar putea ajuta nervii deteriorați să se repare singuri. Ar putea chiar să formeze un cadru pentru creșterea țesuturilor de înlocuire în laborator.

Pentru armată, mătasea de păianjen sintetică ar putea intra în echipamentul de protecție. De exemplu, fibrele puternice ar putea ajuta la împiedicarea fragmentelor mici de dispozitive explozive să pătrundă în piele și să provoace infecții. În industrie, mătasea sintetică de păianjen ar putea fi folosită pentru a face piese rezistente și ușoare pentru avioane sau mașini. „Unul dintre lucrurile pe care le-am descoperit este că nici măcar nu trebuie să folosești pentru a face fibre”, spune Lewis. Proteinele ar putea intra în acoperiri, geluri, pelicule sau adezivi.

Mai trebuie lucrat înainte ca această mătase sintetică să fie gata pentru producția în masă. Cu toate acestea, după 13 ani, Rising este bucuroasă că echipa sa internațională a găsit în sfârșit o modalitate de a imita modul în care păianjenii își țes propria mătase. „A fost unul dintre proiectele în care practic totul funcționează”, spune ea.

Acest articol face parte dintr-o serie care prezintă știri despre tehnologie și inovație, realizate cu sprijinul generos al Fundației Lemelson.