Konstgjord spindeltråd med fibrer som är lika sega som spindlarnas
Forskare vid Karolinska Institutet och SLU har lyckats göra det som naturen själv inte kan. Genom att använda insikter i grundläggande biologiska principer och proteinteknik har de lyckats öka konstgjorda spindeltrådars mekaniska egenskaper, vilket resulterat i fibrer med ökad styrka, och två fibertyper uppvisade lika stor seghet som naturlig spindeltråd och ett utbyte i linje med kraven på en ekonomiskt hållbar industriell tillverkning.
Spindelsilke är den segaste fibern som finns i naturen (den som är bäst på att absorbera energi), och storskalig produktion av konstgjord spindeltråd som matchar den naturliga trådens mekaniska egenskaper har hittills inte åstadkommits. Utvecklingen av små spindeltrådsproteiner har gjort storskalig fiberproduktion ekonomiskt genomförbar, men dessa fibrers mekaniska egenskaper är sämre än naturlig spindeltråd. För att öka de konstgjorda spindeltrådarnas mekaniska egenskaper har forskare vid Karolinska Institutet och SLU gjort vad naturen själv inte kan göra genom att använda insikter i grundläggande biologiska principer.
Dessa resultat presenteras av Anna Rising, senior forskare vid Institutionen för biovetenskaper och näringslära, Karolinska Institutet och professor vid SLU, och hennes forskargrupp.
Att övervinna biologiska lagar
Spindeltrådens styrka har sitt ursprung i proteinsegment som är tätt packade och sammanfogade likt ett stängt blixtlås. Spindeltrådsprotein utsöndras från cellerna i spindlars silkeskörtel och de kan inte innehålla långa feta segment, eftersom sådana segment fastnar i membranen inuti cellen. Samtidigt kan sådana feta segment ge starkare interaktioner i proteinblixtlåsen, vilket är attraktivt för att kunna producera starkare konstgjord spindeltråd.
Proteinproduktion som däremot sker i bakterier kan kringgå de biologiska lagar som spindlar måste följa, eftersom de saknar de cellmembran som proteinerna kan fastna i i cellen. Med utgångspunkt i dessa insikter designade forskarna spindeltrådsproteiner som förutspåddes bilda starkare blixtlås och de producerade framgångsrikt en uppsättning av dessa proteiner i bakterier.
Biomimetisk (naturhärmande) spinning av dessa designade spindeltrådsprotein resulterade i fibrer med ökad styrka, och två fibertyper uppvisade lika stor seghet som naturlig spindeltråd. Genom att odla bakterierna i en bioreaktor kunde vi få fram ca 9 gram protein per liter, vilket är i linje med kraven på en ekonomiskt hållbar industriell produktion. Proteinerna som forskarna fick fram från endast en liter bakteriodling skulle räcka till att spinna en 18km lång fiber.