Je leest:

Zelf zijde spinnen

Zelf zijde spinnen

Het prijkt al een tijdje bovenaan de agenda van menig chemicus: een kunstmatig alternatief maken voor het buitengewoon sterke spinnenzijde. Na jarenlang onderzoek aan de structuur en productie van het spul, boekte een internationaal onderzoeksteam succes door computersimulaties te combineren met experimenten. De eerste stukjes kunstmatige spinnenzijde rolden onlangs uit hun lab, schreven ze in Nature Communications.

Zijdespin slideshow
Niemand spint beter zijdedraden dan spinnen.
Michel Pézolet

De zijden draden die spinnen maken zijn gewild, omdat ze sterker zijn dan staal en de synthetische vezel kevlar. Daarnaast is spinnenzijde elastisch, heel erg licht en biologisch afbreekbaar waardoor het potentiële toepassingen heeft in bijvoorbeeld liftkabels, vliegtuigbeplating of zelfs kogelvrije vesten.

Maar het ijzersterke bouwmateriaal in handen krijgen is niet makkelijk, want spinnen zijn vooralsnog betere spinners dan mensen. Spinnen vangen en opsluiten op een spinnenboerderij is echter onhaalbaar. Ten eerste zouden er honderdduizenden spinnen nodig zijn om genoeg zijde af te tappen voor één kogelvrij vest. Daarnaast hebben de beesten een groot territorium nodig: ze vechten als ze samen in een hok zitten. Sommigen worden zelfs kannibalistisch.

Escherichia coli
Door genetische modificatie wordt een bacterie een zijdefabriekje.

Bacterie als zijdefabriek

Veel praktischer is het om het materiaal zelf na te maken, zoals de onderzoekers van het Amerikaanse Massachusetts Institute of Technology (MIT) en hun internationale collega’s deden. “Ons doel is om de kracht, elasticiteit en taaiheid van de kunstmatig gesponnen vezels te verbeteren door slimme ideeën van de natuur te lenen”, zegt onderzoeker Shangchao Lin van MIT.

De eerste stap in het maken van kunstmatige spinnenzijde is om de eiwitten waaruit de draden bestaan te kopiëren. Sommige eiwitten zijn waterwerend (hydrofoob) en andere juist waterminnend (hydrofiel). De genen die coderen voor deze eiwitten kan je in bacteriën zetten, waarmee je de bacterie ombouwt tot een fabriekje voor spinnenzijde. In 2010 waren het Koreaanse biotechnologen die voor het eerst een bacterie voor hun karretje spanden om de spinnenzijde te kweken.

Achterwerk van een spin

Ook het Amerikaanse team gebruikte genetisch aangepaste bacteriën. De onderdelen van de zijde belanden in water. Hoe maak je daar een vezel van? De onderzoekers gebruikten piepkleine, zogenaamde microfluïdische kanaaltjes waar ze de eiwitten doorheen leiden om ze uit de oplossing te trekken. De spin heeft daar een speciaal zijdespinnend orgaantje voor in zijn achterwerk, die de onderdelen van de zijde samenperst tot een lange draad.

In het kanaaltje gaan alle eiwitten op een rijtje liggen en binden aan elkaar zodat er aan de andere kant een sterke vezel uitkomt. De vezels ‘spinnen’ lukt gewoon bij kamertemperatuur; en veel meer dan op water gebaseerde oplossingen is er niet voor nodig.

Kogelvrijvest
Kogelvrije vesten zijn veelal gemaakt van kevlar. Straks van spinnenzijde?
Teijin Twaron BV, Arnhem

De juiste mix

“We moesten de goede mix van eiwitten vinden om sterke vezels te produceren”, aldus onderzoeker Seunghwa Ryu die ook meewerkte aan het project. “We ontdekten dat we geen draden kunnen spinnen als er veel hydrofobe eiwitten zijn. Dan wordt het één grote brij.”

Hoe vind je de perfecte mix? Je zou het steeds opnieuw kunnen proberen met verschillende mengsels, maar een eiwit maken duurt maanden. En als de eigenschappen tegenvallen, moet je weer van voor af aan beginnen. Simulaties daarentegen laten goed zien wat er gebeurt op moleculair niveau. Met behulp van simulaties kunnen onderzoekers een hele reeks mogelijke vezels ‘uitproberen’ totdat ze bijvoorbeeld de juiste stijfheid vinden. Die vezel zetten ze vervolgens in het echt in elkaar.

De eerste stukjes kunstmatige vezel zijn nog niet zo sterk als natuurlijk spinnenzijde, maar daar kan snel verandering in komen. Het proces om vezels te maken is nu bekend: de eigenschappen van het materiaal zijn relatief makkelijk uit te zoeken op de computer. Uiteindelijk kan dat zelfs een vezel opleveren die nog sterker is dan het echte spinnenzijde.

Bron:

  • Shangchao Lin ea., ‘Predictive modelling-based design and experiments for synthesis and spinning of bioinspired silk fibres’, Nature Communications. Online op 28 mei 2015. doi:10.1038/ncomms7892
Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde Kennislink 2 jaar geleden

Discussier mee

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

LEES EN DRAAG BIJ AAN DE DISCUSSIE