Je leest:

Architect van het web

Architect van het web

Spinrag verzamelt water

Auteur: | 31 maart 2010

Begin 2002 slaagt Nexia Biotechnologies in samenwerking met het Amerikaanse leger er voor het eerst in om spinrag na te maken. Het kunstmatige draad dat het gewicht en de stevigheid van echt spinrag heeft, dient voornamelijk militaire doeleinden. Recentelijk hebben wetenschappers in China, naast de stevigheid en lage massa, een andere eigenschap van spinrag onderzocht: het spinsel verzamelt waterdruppels. Hoe krijgt de natuur dat voor elkaar?

In het licht van de opkomende zon glinsteren waterdruppels, als diamantjes aan een ketting, aan fijne onzichtbare draden. Op geen enkele plant of grashalm zijn de honderden dauwdruppels zo perfect geordend. In rijen en cirkels hangen ze keurig naast elkaar. Langzaam wiegt het geheel mee met een koel ochtendbriesje. Plots schudt het web heftig heen en weer. Links en rechts vallen waterdruppels neer op onderliggende bladeren. Slechts enkele druppels weten zich krampachtig vast te klampen. Een korte tijd trilt het web nog, tot de rust is wedergekeerd. Het werk van een geavanceerd roofdier.

Waterdruppels aan spinrag in een mistige omgeving. Als parels aan een parelketting hangen de waterdruppels aan het draad.

In verhouding tot het gewicht is spinrag vijf maal sterker dan staal. Het is licht, dun en biologisch afbreekbaar. Namaakspinrag zou dus talloze toepassingen hebben. Nexia Biotechnologies is er anno 2002 in geslaagd om een kunstmatig spinrag, dat deze eigenschappen heeft, te fabriceren. Dit draad wordt onder andere gebruikt bij de ontwikkeling van visdraad en van kogelvrije vesten voor het Amerikaanse leger. Ook in de medische sector, waar behoefte is aan stevig en dun draad, wordt het gebruikt. Naast sterk is het ook milieuvriendelijk, in tegenstelling tot andere synthetische materialen.

Pethan (Creative Commons)

In de jaren ‘40 bestudeerde de Zwitserse uitvinder Georges de Mestral klitten; plantenzaadjes die zich verspreiden door zich vast te haken in de vacht van dieren. Dankzij deze studie bestaat er nu klittenband. Inzichten ontleend aan de stroomlijning en huid van dolfijnen hebben toepassingen in de ontwikkeling van boten. Zaadjes van de Javaanse kalebas kunnen door hun lange vleugels honderden meters ver zweven. Deze zaadjes, zo’n 20 jaar geleden ontdekt, zijn een inspiratiebron voor de luchtvaart. Er wordt dus vaker inspiratie ontleend aan de natuur om technologische vooruitgang te boeken. Het spinnenweb is hier geen uitzondering op.

Watercollectie in spinnenweb

Een tot voor kort nog onbegrepen eigenschap van het spinnenweb is de wisselwerking tussen water en spinrag. Een spinnenweb in een mistige omgeving vormt op een nette geordende manier waterdruppels aan haar draden. Voor wie dit beeld herkent, is het niet meer dan logisch; hoe zouden de druppels zich anders moeten rangschikken aan het web? Het lijkt eenzelfde effect als dauw bij gras en planten. Daarnaast is niet bekend welke voordelen de spin hieraan ontleent. Toch heeft het web een raadselachtige voorkeur voor de positie waar druppels worden gevormd.

Begin dit jaar is een Chinees onderzoeksteam, onder leiding van Lei Jiang, erin geslaagd de wisselwerking van water met spinrag te begrijpen. Gefascineerd door met dauwdruppels versierde spinnenwebben ontdekte het team dat de microscopische structuur van het spinrag hieraan ten grondslag ligt. Met een elektronenmicroscoop, geschikt voor schalen tot 1000 maal kleiner dan die van een normale microscoop, bestudeerde het onderzoeksteam spinrag van de wielwebkaardespin (Uloborus walckenaerius). Het team bestond uit zowel chemici als fysici, verbonden aan verscheidene universiteiten en instituten in Beijing. In een artikel aan Nature, 4 februari dit jaar, publiceerden zij hun bevindingen.

Bolletje wol

Spinrag bestaat uit alanine- en glycinerijke eiwitketens. Deze eiwitten zijn de bestanddelen van draderige vezels die een doorsnede van ongeveer 20 nanometer hebben. De vezels zijn de bouwstenen van het spinrag. Ze komen voor met twee verschillende oriëntaties: geordend en ongeordend. De ongeordende vezels vormen nanosponsjes, de geordende vezels vormen de connectie tussen afzonderlijke nanosponsjes.

Een nanosponsje doet denken aan een bolletje wol, waarin de draden kriskras door elkaar liggen. De eiwitvezels erin zijn totaal willekeurig georiënteerd. Het spinrag bestaat hier voor het grootste deel uit. Afzonderlijke nanosponsjes worden verbonden door twee evenwijdig draden, in het midden van het spinrag. Deze verbindingsstukken bestaan uit parallelle vezels. De totale configuratie lijkt op een kralenketting; nanosponsjes die aan een dubbele draad zijn geregen.

Microscopische opname van spinrag. Nanosponsjes, aangegeven met ‘puff’, verbonden door een dubbele draad ‘joints’. De nanosponsjes zijn regelmatig verdeeld in het draad.

In een mistige omgeving condenseren kleine waterdruppels op het spinrag. De nanosponsjes krimpen daardoor en hun structuur verandert, waardoor het waterabsorberend vermogen toeneemt. Dit komt doordat er een verschil is tussen de nanosponsjes en de verbindingsstukken. Aan de ene kant zijn er ongeordende vezels, waar water zicht moeilijk over kan verplaatsen. Daartussen zitten geordende vezels waar water gemakkelijk langs glijdt. Dit verschil levert een netto kracht op de waterdruppels richting de nanosponsjes op.

Water dat condenseert op de verbindingsdraden vormt kleine druppels. Aanliggende nanosponsjes trekken deze druppeltjes aan. Dit proces herhaalt zich en er ontstaan waterdruppels aan de nanosponsjes. Door de regelmatige verdeling van de nanosponsjes in het spinrag, leidt dit tot een regelmatig patroon van waterdruppels aan het spinnenweb. Condensatie treedt willekeurig op: de waterdruppeltjes hebben geen voorkeur voor een specifieke positie aan het spinrag. Druppels gevormd door condensatie alleen kunnen dus geen regelmatig patroon teweegbrengen.

Wat voor baat de spin heeft bij de waterverzameling is niet bekend. “Door het gewicht van uniform verdeeld water zou het web kunnen bezwijken,” aldus Mato Knez van het Max Planck Institute of Microstructure Physics. Hij denkt dat het web zichzelf beschermt door druppels te vormen. Als de druppels te zwaar worden en van het web vallen, hoeft het web dit gewicht niet te dragen. Lei Jiang vermoedt dat het voor de drinkactiviteiten voor de spin zou kunnen dienen. “Of wellicht om de structuur van het web te vernieuwen om het sterker en plakkeriger te maken.”

h3. Soorten en maten Er zijn meer dan 50000 soorten spinnen (Araneae) bekend. Ze kunnen allemaal spinsel produceren, maar gebruiken hun draden op uiteenlopende wijzen. Er zijn spinnen, zoals de in Nederland veel voorkomende kruisspin, die webben maken van met lijm bedekt spinrag. Andere spinnen weven hun web van niet-klevende wollige draden. De structuur van deze draden is zo fijn dat een prooi er makkelijk in verstrikt raakt. Hier valt de wielwebkaardespin (zie hiernaast) onder, die bestudeerd is door Lei Jiang en zijn team. Spinrag wordt niet alleen gebruikt bij het jagen. Het doet ook dienst als beschermde cocon voor de eitjes en als behang voor het hol van de spin.

Nylondraad in polymeeroplossing

Kunstmatig spinrag.
Nexia Biotechnologies

In de loop van het onderzoek zijn twee van de onderzoekers, Hao Bai en Xuelin Tian, erin geslaagd om met nylondraad spinrag na te maken. Door het draad in een polymeeroplossing te dopen creëerden zij een draad dat qua structuur en waterabsorberende eigenschappen overeenkomt met echt spinrag. Aan het draad bevinden zich bolletjes die overeenkomen met de nanosponsjes. Dit kunstmatige spinrag is anders dan het spinrag dat ontwikkeld is door Nexia Biotechnologies.

Met het ontwikkelen van kunstmatig spinrag is de eerste stap gezet voor gebruik, maar het heeft nog geen toepassingen. “Mogelijk helpt deze studie bij het ontwikkelen van vezels voor waterverzameling en in waterfiltering bij scheidingsprocessen,” aldus Lei Jiang. Nu het raadsel rond het waterverzamelende spinrag is opgelost, zullen toepassingen zoals het kogelvrije vest dat het Amerikaanse leger acht jaar geleden bedacht, zich vanzelf aandienen.

Bron:

L. Jiang et al., ‘Directional water collection on wetted spider silk’, Nature 463, 640-643 (4 February 2010)

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 31 maart 2010

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.