Uppskalning av en hållbar metod för att spinna konstgjord spindeltråd
Spindeltråd är naturens mest högpresterande fiber då den kombinerar hög draghållfasthet och stor töjbarhet. En forskargrupp vid Karolinska Institutet har utvecklat en ny metod för att producera spindeltrådsproteiner och siktar på att skala upp spinningsprocessen. Hållbara alternativ till petroleumbaserade produkter behövs eftersom miljöföroreningarna som orsakas av exploateringen av dessa begränsade resurser är omfattande.
Världens ekonomi är starkt baserad på petroleumbaserade produkter, men utnyttjandet av dessa resurser orsakar betydande miljöföroreningar och hållbara alternativ behövs. Till exempel har 67 % av textilfibrerna ett syntetiskt ursprung och bidrar därmed avsevärt till globala CO2-utsläpp, förutom att förorena soptippar och hav med icke-biologiskt nedbrytbart plastavfall (Shirvanimoghaddam et al., 2020).
Spindeltråd har stor potential
Spindeltråd är naturens mest högpresterande fiber då den kombinerar hög draghållfasthet och stor töjbarhet. Silkesfibern är gjord av proteiner i en process som saknar giftiga kemikalier och extrema temperaturer vilket gör den till en kandidat för att ersätta många syntetiska fibrer. Den stora potential som detta material har för användning i applikationer som högpresterande textilier, medicinska implantat, robotkomponenter och som förstärkning i kompositmaterial, har medfört flera decenniers lång forskning för att på konstgjord väg återskapa och härma egenskaperna hos spindeltråd, då det inte är genomförbart att på storskalig väg skörda tråden från spindlar.
En begränsad förståelse för de naturliga spinnmekanismerna har dock gjort att konstgjorda spinnprotokoll förlitar sig på användning av starka och miljöfarliga kemikalier, vilket motverkar syftet med att skapa ett hållbart material. Nyligen upptäckte Anna Risings grupp vid Institutionen för biovetenskaper och näringslära, Karolinska Institutet, att en huvudsaklig drivkraft vid bildandet av spindeltråd är en pH-gradient som uppstår längs spindelns sidenkörtel (Andersson et al., 2014), och utvecklade ett spindeltrådsprotein som för första gången möjliggjorde ett biomimetisk spinnande av spindeltråd (Andersson et al., 2017).
Skalbar metod för silkestillverkning
Baserat på detta arbete har Benjamin Schmuck, postdoktoral forskare i gruppen, utvecklat en ny metod för att framställa spindeltrådsprotein genom att använda mikroorganismer, vilket gett en utdelning som är 10 gånger högre jämfört med tidigare rapporter och som når en nivå som gör produktionen ekonomiskt genomförbar, ur ett kommersialiseringsperspektiv (Schmuck et al., 2021).
Som ett nästa steg siktar gruppen på att skala upp spinningsprocessen och övergå från den nuvarande labbskaleprocessen till pilotskala. Detta projekt, som stöds av ett ERC Proof of Concept Grant som nyligen tilldelades Anna Rising, kommer förhoppningsvis att resultera i utvecklingen av en storskalig och hållbar spinnmetod för konstgjord spindeltråd. Dessutom kommer bidraget att användas för att finansiera en undersökning av affärspotentialen hos denna upptäckt och för att genomföra en marknadsanalys.
Referenser
Carbonic anhydrase generates CO2 and H+ that drive spider silk formation via opposite effects on the terminal domains.
Andersson M, Chen G, Otikovs M, Landreh M, Nordling K, Kronqvist N, Westermark P, Jörnvall H, Knight S, Ridderstråle Y, Holm L, Meng Q, Jaudzems K, Chesler M, Johansson J, Rising A
PLoS Biol 2014 Aug;12(8):e1001921
Biomimetic spinning of artificial spider silk from a chimeric minispidroin.
Andersson M, Jia Q, Abella A, Lee XY, Landreh M, Purhonen P, Hebert H, Tenje M, Robinson CV, Meng Q, Plaza GR, Johansson J, Rising A
Nat Chem Biol 2017 03;13(3):262-264
"High-yield production of a super-soluble miniature spidroin for biomimetic high-performance materials",
Benjamin Schmuck, Gabriele Greco, Andreas Barth, Nicola M. Pugno, Jan Johansson and Anna Rising
Materials Today, doi: 10.1016/j.mattod.2021.07.020
Death by waste: Fashion and textile circular economy case.
Shirvanimoghaddam K, Motamed B, Ramakrishna S, Naebe M
Sci Total Environ 2020 May;718():137317