The race to make spider silk

The race to make spider silk

The strength, toughness, and elasticity of silk continue to fascinate scientists, who wonder what gives this natural material its unusual qualities. Finer than human hair, lighter than cotton, and ounce for ounce stronger than steel, silk is of special interest to materials researchers. They are trying to duplicate its properties and synthesise it for large-scale production. Silk holds the promise of wear-resistant shoes and clothes; stronger ropes, nets, seatbelts and parachutes; rust free panels and bumpers for automobiles; improved sutures and bandages; artificial tendons and ligaments; supports for weakened blood vessels as well as bulletproof vests.

Many insects secrete silks of varying quality. Best known is the moth bombyx mori, whose caterpillar is commonly known as the silkworm. It spins its cocoon from a single thread between 300 and 900 metres long and has been used for centuries to make fine garments. But the focus of scientific attention today is on spider silk: tougher, stretchier, and more waterproof than silkworm strands. Spiders make as many as seven different types of silk, but one spider and two types of silk are at the centre of intense interest. The spider is the golden orb-weaving spider, nephila clavipes. Its two silks under investigation go by the evocative names ‘dragline’ and ‘capture’.

Dragline is the silk which forms the frame for the wheel-shaped webs and enables the dangling spider to drop down and grab its prey. This silk exhibits a combination of strength and toughness unmatched by high-performance synthetic fibre.

Capture silk is the resilient substance at the centre of the web. To catch a speeding insect, it may stretch to almost three times its original length. Insects get entangled in the sticky web because the stretchiness of capture silk lets the web move back and forth after the insect hits it. If the web were stiff, the insect might just bounce off. Whereas dragline is stronger, capture silk is more flexible, five times more flexible in fact.

Because the orb weaver’s survival depends on its silk, some 400 million years of evolution have fine-tuned a remarkably tough and versatile material. Now, research groups all over the world are competing to spin the first artificial spider silk, a job that requires a three-step approach: to determine the fibre’s molecular architecture, to understand the genes that yield silk proteins, and then to learn how to spin the raw material into threads.

The first two steps are well underway. The molecular structure for both dragline and capture silk is known and now researchers have cloned several genes for the silks and unravelled their protein structure.

The next step is to find hosts for the artificial genes. Plants and fungi, as well as bacteria, are being considered. If a hardy plant could express a dragline silk gene, silk proteins could eventually be harvested in large quantities, processed into a liquid, polymer, and spun in factories, A different experimental approach is to insert the web gene into goats in order to collect the protein from the goats’ milk. Goats are being used instead of the simpler and much cheaper bacteria, because the secret of the protein’s strength lies in how the molecules cross-link with one another. When bacteria is used to make artificial web, the protein folds in a way that prevents it. from cross-linking properly, resulting in hard while lumps. The spider makes protein in a manner similar to the way mammals make milk, so the researchers hope that the protein made in the goats’ mammary glands will be able to cross-link properly. Once the protein is extracted from the goats’ milk, the next step is to find a way to spin it.

Spiders make their silk in environmentally friendly ways. They process proteins from water-based solutions which, from a manufacturing point of view, is very attractive. The process of making synthetic fibres like nylon, on the other hand, requires petroleum products or organic solvents and results in pollution. So bio-technologists arc motivated by both the practical and economic potential of generating artificial spider silk. Globally, as much as 60 per cent of the threads used to weave clothing come from natural fibre, including cotton, wool, and silk. The aim is to offer substitutes for natural fibres that arc free of the problems of poor wash-wear performance: stretching, wrinkling arid shrinkage. They are seeking a better-than-natural alternative fibre for which there is a major market. Bio-inspired materials are providing a new frontier for the fibre business.

Cuộc đua tạo ra tơ nhện

Sức mạnh, độ dẻo dai và tính đàn hồi của tơ nhện không ngừng khiến các nhà khoa học cảm thấy bị mê hoặc, họ tự hỏi điều gì đã mang lại cho chất liệu tự nhiên này những phẩm chất khác thường ấy. Mảnh hơn sợi tóc người, nhẹ hơn bông và đúng nghĩa là cứng hơn thép, tơ được các nhà nghiên cứu vật liệu đặc biệt quan tâm. Họ đang cố gắng sao chép các đặc tính của nó và thực hiện quá trình tổng hợp để sản xuất trên quy mô lớn. Tơ hứa hẹn sẽ giúp cho ra đời những loại giày và quần áo độ bền cao; dây thừng, lưới, dây thắt an toàn và dù chắc chắn hơn; khung chống rỉ và các tấm cản cho ô tô; chỉ khâu và băng vết thương cải tiến; gân và dây chằng nhân tạo; hỗ trợ cho các mạch máu bị suy yếu cũng như áo chống đạn.

Có nhiều loài côn trùng tiết ra tơ với chất lượng khác nhau. Nổi tiếng nhất là loài bướm đêm bombyx mori, đó là loài sâu bướm thường được biết đến với tên gọi là tằm. Chúng nhả tơ xoay quanh kén của mình từ một sợi chỉ tơ dài từ 300 đến 900 mét và đã được sử dụng từ nhiều thế kỷ qua để may các loại quần áo chất lượng cao. Nhưng tâm điểm sự chú ý của khoa học ngày nay là tơ nhện: dai hơn, co giãn tốt hơn và chống thấm nước tốt hơn so với sợi tơ tằm. Nhện tạo ra tới bảy loại tơ khác nhau, nhưng trong đó có một loài nhện và hai loại tơ là trung tâm thu hút sự quan tâm. Đó là nhện thợ dệt quả cầu vàng, nephila clavipes. Hai loại tơ của chúng đang được nghiên cứu có tên gọi đầy sức gợi nhớ là ‘dây kéo’ và ‘bắt mồi’.

Dây kéo là sợi tơ tạo thành khung cho mạng nhện hình bánh xe và cho phép loài nhện treo lơ lửng này sà xuống và tóm lấy con mồi. Loại tơ này thể hiện sự kết hợp giữa sức mạnh và độ dẻo dai vượt trội so với sợi tổng hợp độ bền cao.

Tơ bắt mồi là chất liệu đàn hồi ở trung tâm của mạng nhện. Để bắt một con côn trùng nhanh nhẹn, chúng có thể giãn ra gần gấp ba lần chiều dài ban đầu. Côn trùng bị mắc vào mạng nhện có độ dính cao do tính co giãn của tơ bắt mồi cho phép mạng di chuyển đàn hồi trước sau khi côn trùng chạm vào nó. Nếu mạng nhện cứng, côn trùng có thể bị nảy ra ngoài. Trong khi tơ dây kéo khỏe hơn, tơ bắt mồi lại linh hoạt hơn, trên thực tế độ linh hoạt của nó cao hơn năm lần.

Do sự tồn vong của nhện thợ dệt quả cầu phụ thuộc vào tơ của chúng, khoảng 400 triệu năm tiến hóa đã tinh luyện nên một loại vật liệu đặc biệt dẻo dai và linh hoạt. Hiện nay, các nhóm nghiên cứu trên khắp thế giới đang chạy đua với nhau để  xe ra sợi tơ nhện nhân tạo đầu tiên, một công việc đòi hỏi phương pháp gồm ba bước: xác định cấu trúc phân tử của sợi tơ, tìm hiểu các gen tạo ra protein tơ hiệu suất cao và sau đó học cách xe nguyên liệu thô thành chỉ tơ.

Hai bước đầu tiên đang được tiến hành một cách suôn sẻ. Cấu trúc phân tử của cả tơ dây kéo và tơ bắt mồi đều đã được xác định và hiện nay các nhà nghiên cứu đã nhân bản một số gen cho tơ và khám phá ra cấu trúc protein của chúng.

Bước tiếp theo là tìm vật chủ cho các gen nhân tạo này. Thực vật và nấm, cũng như vi khuẩn đang được xem xét. Nếu một loài cây khỏe mạnh có thể biểu hiện được gen của tơ dây kéo, thì cuối cùng các protein tơ sẽ có thể được thu hoạch với số lượng lớn, chế biến thành chất lỏng, polymer và kéo thành sợi trong các nhà máy. Một phương pháp thử nghiệm khác là cấy gen mạng nhện vào dê để thu hoạch protein từ sữa dê. Dê đang được sử dụng thay vì vi khuẩn vốn đơn giản và có chi phí thấp hơn nhiều, là do bí mật về sức mạnh của protein nằm ở cách các phân tử liên kết chéo với nhau. Khi vi khuẩn được sử dụng để làm ra mạng nhện nhân tạo, protein sẽ bọc lại theo cách ngăn cản nó. từ liên kết chéo đúng cách, dẫn đến bị cứng trong khi đang vón cục lại. Nhện tạo ra protein theo cách tương tự như cách làm ra sữa của động vật có vú, vì vậy các nhà nghiên cứu hy vọng rằng protein được tạo ra trong tuyến vú của dê sẽ có khả năng liên kết chéo đúng cách. Khi protein được chiết xuất từ sữa dê, bước tiếp theo là tìm cách xe sợi chúng.

Nhện làm ra tơ của chúng theo những cách thân thiện với môi trường. Chúng xử lý protein bằng các dung dịch gốc nước, đứng từ quan điểm của việc sản xuất, điều này rất hấp dẫn. Mặt khác, quá trình sản xuất sợi tổng hợp như nylon, đòi hỏi phải có các sản phẩm dầu mỏ hoặc dung môi hữu cơ và chúng gây ra ô nhiễm. Vì vậy, các kỹ sư công nghệ sinh học được tạo động lực bởi cả tiềm năng thực tế và kinh tế của việc tạo ra tơ nhện nhân tạo. Trên phạm vi toàn cầu, có tới 60% lượng vải sợi được sử dụng để dệt đồ may mặc là từ sợi tự nhiên, bao gồm bông, len và tơ lụa. Mục tiêu đặt ra là cung cấp các sản phẩm thay thế cho sợi tự nhiên mà không gặp phải các vấn đề do quá trình giặt: bị kéo giãn, nhăn hay bị co. Họ đang tìm kiếm một loại vải sợi thay thế tốt-hơn-tự nhiên, luôn có một thị trường lớn dành cho chúng. Các loại vật liệu lấy cảm hứng từ sinh học đang mở ra một giới hạn mới cho ngành kinh doanh vải sợi.