SLU-nyhet
Nu har forskare spunnit konstgjord spindeltråd som är lika seg som spindlarnas
Publicerad: 29 mars 2022
Att använda spindlar för tillverkning av spindeltråd i industriell skala är omöjligt, men det går att ta fram bakterier som kan tillverka de spindeltrådsproteiner som behövs. Ett forskarlag som leds från SLU och KI har nu designat proteiner med egenskaper som inte ens spindlar kan åstadkomma, och den konstgjorda tråd de nu har spunnit är ungefär lika stark och seg som äkta spindeltråd. Utbytet är dessutom i linje med vad som krävs för industriell tillverkning.
Resultaten har just publicerats i tidskriften Advanced Functional Materials, av en internationell forskargrupp som leds av Anna Rising från Sveriges lantbruksuniversitet (SLU) och Karolinska institutet (KI), och Jan Johansson från KI.
Spindeltråd är den segaste fibern som finns i naturen, dvs. den som är bäst på att absorbera energi. Storskalig produktion av konstgjord spindeltråd som matchar den naturliga trådens mekaniska egenskaper har hittills inte åstadkommits. Utvecklingen av små spindeltrådsproteiner som tillverkas med hjälp av bakterier har dock gjort storskalig fiberproduktion ekonomiskt genomförbar, men dessa fibrer har sämre mekaniska egenskaper än naturlig spindeltråd.
Egenskaper som spindlarna själva inte kan åstadkomma
För att förbättra de konstgjorda spindeltrådarnas mekaniska egenskaper gjorde forskarna vad naturen själv inte kan göra, genom att använda insikter om grundläggande biologiska principer. Spindeltrådens styrka har sitt ursprung i proteinsegment som är tätt packade och sammanfogade likt ett stängt blixtlås. Spindeltrådsproteiner utsöndras från cellerna i spindelns silkeskörtel, och deras uppbyggnad begränsas av att de inte kan innehålla långa feta segment, eftersom sådana segment fastnar i membranen inuti cellen. Samtidigt insåg forskarna att just sådana feta segment skulle ge starkare interaktioner i proteinblixtlåsen, vilket är attraktivt om man vill producera starkare konstgjord spindeltråd.
Om proteinproduktionen sker i bakterier går det dock att kringgå de biologiska lagar som spindlar måste följa, eftersom bakterierna saknar de cellmembran som proteinerna kan fastna i. Med utgångspunkt i dessa insikter designade forskarlaget spindeltrådsproteiner som förutspåddes bilda starkare blixtlås, och de producerade sedan framgångsrikt en uppsättning sådana proteiner i bakterier.
Lika seg som naturlig spindeltråd
Forskarna konstruerade för flera år sedan en enkel men mycket effektiv och naturhärmande (biomimetisk) spinningsanordning, i vilken de kan spinna kilometerlånga trådar. Med de nya specialdesignade spindeltrådsproteinerna lyckades de tillverka 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, säger Anna Rising. De proteiner vi får från endast en liter bakterieodling räcker till att spinna en 18 km lång fiber.
Bidrag till kommersialisering
De här trådarna har potential att kunna ersätta många miljöfarliga plastbaserade fibrer som används inom exempelvis textilindustrin idag. För att fastställa den marknadsmässiga potentialen hos de konstgjorda spindeltrådarna kommer forskarna nu att skala upp produktionen, göra en marknadsanalys, säkra patenträttigheter och starta ett bolag. Detta har gjorts möjligt genom att Anna Rising har fått ett bidrag från Europeiska forskningsrådet (ERC Proof of Concept 2022), som delas ut till forskare som redan har fått finansiering från detta forskningsråd och vill försöka nyttiggöra sina upptäckter.
Kontaktperson
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
Artikeln i Advanced Functional Materials
Tina Arndt, Gabriele Greco, Benjamin Schmuck, Jessica Bunz, Olga Shilkova, Juanita Francis, Nicola M Pugno, Kristaps Jaudzems, Andreas Barth, Jan Johansson & Anna Rising. Engineered spider silk proteins for biomimetic spinning of fibers with toughness equal to dragline silks. Adv. Funct. Mater. 2022, 2200986. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202200986
Pressbild
(Får publiceras fritt i anslutning till artiklar om detta pressmeddelande. Klicka för högupplöst bild. Fotograf ska anges.)
En bunt artificiell spindeltråd som spunnits av forskarlaget. Foto: Marlene Andersson
