I serietidningarna kastar Spiderman sitt spindelsilke när han vill. I verkligheten är det inte alls lika lätt att göra konstgjort – eller syntetiskt – spindelsilke. Men forskare har nu hittat ett sätt att tillverka de flexibla men ändå superstarka trådarna.

”Nu kan vi göra det på samma sätt som spindlar gör det”, säger Anna Rising.

Hon arbetar vid Sveriges lantbruksuniversitet i Uppsala och Karolinska institutet i Stockholm. Som medicinsk biokemist studerar hon kemiska processer som är viktiga i levande organismer. Rising blev ursprungligen veterinär. Sedan blev hon intresserad av utmaningen att tillverka syntetiskt spindelsilke. Det skulle kunna vara till stor hjälp för medicin, tillverkning och till och med för att tillverka utrustning för att skydda soldater.

Rising samarbetade med Jan Johansson, en annan medicinsk biokemist vid dessa skolor. Spindeltrådsproteiner intresserade honom på grund av hans arbete med Alzheimers sjukdom. Vid den sjukdomen klumpar ett protein ihop sig i hjärnan. Dessa klumpar blockerar normala hjärnfunktioner och skadar nervceller. Och hur proteinerna samlas är liknande i båda fallen.

Idén till den nya processen utvecklades när forskarna studerade vad spindlar gör naturligt.

Varje molekyl av spindelsilkesprotein är som en lång kedja med tre grundläggande delar. Den längsta delen har segment som upprepas om och om igen (som kallas ”repeats”). Om man tittar på den långa delen i ett starkt mikroskop skulle den se ut som torn av staplade legobitar som är sammankopplade med fjädrar, förklarar Randy Lewis. Han är biokemist vid Utah State University i Logan och har inte arbetat med projektet. Legostaplarna ger styrka, konstaterar han. De fjädrande delarna ger materialet elasticitet, eller stretch.

En separat del av spindelvävsproteinet finns i början av den långa delen. En annan del fäster i slutet. Silkeproteiner kan haka på varandra när silket spinns. Det ger långa längder av silkesfibrer.

Spindlar har körtlar i buken som innehåller de silkestillverkande proteinerna i en vattenbaserad lösning. För att göra syntetiskt spindelsilke behövde Risings team byggstenar som skulle bilda ett liknande startprotein.

Rising började med att samla in fiskespindlar från Sydafrika. (Deras vetenskapliga namn är Euprosthenops australis.) Sedan studerade hon, Johansson och andra forskare spindelns silke och dess gener. Utifrån detta listade de ut vilken del av spindelns genetiska kod som skulle göra silkesproteinet. För att göra många kopior av dessa DNA-segment använde de en process som kallas polymeraskedjereaktion (Puh-LIM-ur-ace), eller PCR.

Rising och Johannssons grupp satte sedan in det genetiska materialet i bitar av deras DNA som lätt skulle komma in i bakterier. Bakterierna lade till dessa bitar till sitt DNA och kunde nu tillverka delar av det naturliga silket. Men det fanns ett problem. De små mängder som de gjorde var inte särskilt lösliga i vatten. Det innebar att teamet inte skulle kunna blanda in det i en vattenbaserad lösning som den som finns i spindlarnas silkeskörtlar.

Under tiden gjorde kinesiska forskare ett liknande arbete med en asiatisk spindel, Araneus ventricosus. De två grupperna slog sig samman och utformade ett hybridprotein. De valde de delar från varje spindelart som skulle vara mest lösliga i vatten. Startdelen kom från den afrikanska spindelns silke. Slutdelen kom från den asiatiska spindeln. För mitten använde forskarna två upprepningar från den afrikanska spindeln. (Den spindelns naturliga silkesprotein har cirka 100 sådana upprepningar.)

Teamet coachade bakterier för att göra detta hybridprotein. Sedan gjorde de en lösning av proteinet i vatten, koncentrerat till upp till 50 procent. Det liknar koncentrationen i spindelkörtlar.

För att få proteinerna att göra fibrer

Nästan kom utmaningen att spinna proteinerna till fibrer. När spindelkörteln pumpar ut lösningen sjunker lösningens pH-värde. (pH-skalan mäter hur surt något är. Ju lägre pH desto surare är det). Risings grupp kom fram till att den behövde göra något liknande.

För att efterlikna det sätt på vilket spindelsilke blir surare när det spinns ut, pumpar gruppens nya process lösningen genom ett tunt rör. Diametern på rörets spets smalnar av i slutet. Det tvingar in proteinlösningen i en jetström. Strömmen töms ut i en bägare med en sur, vattenbaserad lösning. När proteinstrålen går genom denna vätska sjunker dess pH-värde. De enskilda proteinerna kopplas då samman. Detta gör att de faller ut ur lösningen som fibrer. Den resulterande strängen av syntetiskt silke kan dras ut ur bägaren och lindas på en spole eller ett kort.

Teamets studie publiceras i numret av Nature Chemical Biology av den 9 januari.

Till ännu starkare silke

Lewis grupp vid Utah State hade redan lyckats lösa upp proteiner av spindelsilke i vatten. År 2015 rapporterade dessa forskare att de gjorde dem till ett silke med hjälp av en annan metod. Proteinnivån i den lösningen var dock mycket lägre än vad Risings grupp uppnådde.

Lewis konstaterar att det silkesprotein som Rising och Johanssons grupp gjort har endast ett par upprepningar. Fler upprepningar i det silket skulle stärka strängarna, misstänker han.

Johansson håller med om att det kan vara bättre att ha fler upprepningar. Dessutom tror han att det också är viktigt att hålla proteinet lättlösligt. Och det kortare repetitionsavsnittet bidrar förmodligen till det. Men silke tillverkat med deras nya process är redan ungefär en tredjedel så starkt som naturligt spindelsilke. Ändå har det bara två procent så många upprepningar som de i den sydafrikanska spindelns silke.

Det nya arbetet är viktigt, säger Lewis. ”Det ger en intressant möjlighet att kanske förenkla spinnprocessen avsevärt.” Och, tillägger han, om det fungerar för stora proteiner, ”är det ett möjligt stort framsteg.”

Att föda upp spindlar för att samla in natursilke är trots allt opraktiskt. Varje spindel måste födas upp ensam eller så kan de äta upp varandra. Och det skulle finnas andra utmaningar.

Ett syntetiskt silke skulle kunna ha många användningsområden. ”Spindelsilke har en unik kombination av både styrka och elasticitet”, konstaterar Lewis. Inom medicinen skulle spindelsilke kunna fungera som suturer. Det skulle kunna reparera senor. Det skulle kunna hjälpa skadade nerver att reparera sig själva. Det skulle till och med kunna utgöra en ram för att odla ersättningsvävnader i ett labb.

För militären skulle syntetiskt spindelsilke kunna ingå i skyddsutrustning. De starka fibrerna skulle till exempel kunna hjälpa till att hindra små fragment av sprängladdningar från att tränga in i huden och orsaka infektioner. Inom industrin skulle spindelsilke kunna användas för att tillverka starka, lätta delar till flygplan eller bilar. ”En av de saker vi har upptäckt är att man inte ens behöver använda för att göra fibrer”, säger Lewis. Proteinerna skulle kunna ingå i beläggningar, geler, filmer eller lim.

Mer arbete måste göras innan detta syntetiska silke är redo för massproduktion. Men efter 13 år är Rising glad att hennes internationella team äntligen har hittat ett sätt att efterlikna hur spindlar spinner sitt eget silke. ”Det har varit ett av de projekt där allt i princip bara fungerar”, säger hon.

Detta är en del av en serie med nyheter om teknik och innovation, som möjliggörs tack vare generöst stöd från Lemelson Foundation.