Så kan vi spinna trådar som är ännu starkare än spindlarnas

Tillverkning av konstgjorda spindeltrådsfibrer i industriell skala har varit ett stort mål inom materialvetenskap under århundraden. För några år sedan gjorde ett forskarlag baserat vid Karolinska Institutet och Sveriges lantbruksuniversitet det första lyckade försöket att spinna konstgjord spindeltråd i en process som efterliknar den som spindlar själva använder sig av. Efter ingående studier av hur en spindeltrådskörtel fungerar lyckades de först designa ett konstgjort spindeltrådsprotein som kunde produceras i stora mängder av bakterier. Därefter konstruerade forskarna en enkel men mycket effektiv och naturhärmande spinningsanordning, i vilken de kunde spinna kilometerlånga trådar.

Tråd som tillverkats på detta sätt matchar ännu inte de mekaniska egenskaperna hos naturlig spindeltråd, möjligen för att de designade spindeltrådsproteiner som används är för små. En annan metod, som bygger på biotekniska framsteg, gör det möjligt att framställa stora spindeltrådsproteiner som kan spinnas till fibrer med hjälp av organiska lösningsmedel. Dessa fibrer blir mycket starka, men utbytet är för litet för en ekonomiskt hållbar produktion. Behovet av nya idéer är därmed stort.

Nu lanserar Anna Rising (SLU och KI) och Jan Johansson (KI) ett strukturbiologiskt baserat tillvägagångssätt för tillverkning av konstgjorda spindeltrådsproteiner, som kringgår de begränsningar som spindlarna själva lever med.

– Det är en helt ny strategi vi lägger fram, med en elegant logik som bygger på grundläggande kunskaper om cellbiologi och proteiners veckning, säger Anna Rising. Och det var framförallt tre saker vi insåg.

Det första var att spindeltrådsprotein är sekretoriska proteiner, vilket betyder att de utsöndras från cellerna. Sådana proteiner kan inte innehålla segment som är hydrofoba (feta), för då fastnar de i cellens membran. Det andra var att de proteinsegment som bildar de starkaste bindningarna i spindeltråd verkar ha utvecklats för att vara så feta som möjligt, men ändå kunna utsöndras från cellen.

– Om man byter ut de här segmenten, så att de blir fetare än dem som finns naturligt i spindeltrådsproteiner borde man alltså kunna tillverka ännu starkare fibrer, eftersom proteinerna i tråden skulle binda starkare till varandra. Och då pratar vi om proteiner som en spindel inte tillverka, av rent fysiologiska skäl, förklarar Anna Rising.

Den tredje sak de insåg var att bakterier –  som används flitigt för att ta fram proteiner för industrin, och som även de själva använder för att producera konstgjort spindeltrådsprotein – saknar de membran som ”feta proteiner” kan fastna i, vilket gör att de potentiellt skulle kunna producera dessa ”superproteiner”.

– Alltså, genom att designa protein som spindlarna själva omöjligen skulle kunna producera, och låta bakterier göra dem istället, skulle vi kunna spinna en tråd som är ännu starkare än spindlarnas. Det här är något som evolutionen själv inte kan utveckla, men genom att använda bioteknologi kan vi det, avslutar Anna Rising.

Mer information

Anna Rising
Professor i veterinärmedicinsk biokemi vid inst. för anatomi, fysiologi och biokemi, Sveriges lantbruksuniversitet
och forskargruppsledare vid institutionen för biovetenskaper och näringslära, Karolinska Institutet
070-974 48 88, anna.rising@slu.se
https://internt.slu.se/en/cv-originals/anna-rising/
https://ki.se/en/bionut/spider-silk-biology-for-biomedical-applications-anna-rising

Jan Johansson
Professor vid inst. för biovetenskaper och näringslära, Karolinska institutet
070-345 70 48, janne.johansson@ki.se
https://ki.se/en/bionut/protein-biochemistry-for-development-of-novel-medical-treatments-janne-johansson

Artikeln i ACS Nano

Jan Johansson and Anna Rising. 2021. Doing What Spiders Cannot—A Road Map to Supreme Artificial Silk Fibers. ACS Nano. DOI: 10.1021/acsnano.0c08933
https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c08933

Pressbild

(Får publiceras fritt i anslutning till artiklar om detta pressmeddelande. Klicka för högupplöst bild. Källa ska anges.)

Spindelnät. Foto: Anna Rising