Transgena silkesmaskar Spin Spider Silk 6x tuffare än Kevlar

Häromdagen dök jag med huvudet först in i ett spindelnät medan jag halvsov i min husbil.

Åsido med skriken, den logiska delen av mig förundrades över hur snabbt en enda läskig-crawly hade vävt ett så intrikat – och förvånansvärt studsande och spänstigt – nät på bara några timmar.

Spindelsilke är ett naturligt underverk. Det är tufft och motstår skador men är också mycket flexibelt. Lätt, stark och biologiskt nedbrytbar, siden kan användas till allt från kirurgiska suturer till skottsäkra västar.

Varför skulle vi inte producera mer av dessa siden för mänsklig konsumtion? Spindlar är fruktansvärda biologiska tillverkningsmaskiner. Bortsett från den läskiga faktorn, de är väldigt stridbara – lägg ihop några hundra så kommer du snart att sitta kvar med en handfull segrare och väldigt lite produkt.

Men tack vare genteknik kan vi nu ha ett sätt att hoppa över spindlar helt och hållet vid tillverkningen av spindelsilke.

In en studie publicerad förra veckan använde ett team från Donghua University i Kina CRISPR för att skapa genetiskt modifierade silkesmaskar som kan producera spindelsilke. De resulterande trådarna är tuffare än Kevlar - en syntetisk komponent som används i skottsäkra västar. Jämfört med syntetiska material är sådant spindelsilke ett mycket mer biologiskt nedbrytbart alternativ som lätt kan skalas för produktion.

Dr. Justin Jones vid Utah State University, som inte var inblandad i studien, gav den nya väven en nick av godkännande. Det resulterande materialet är "en riktigt högpresterande fiber", han sade till Vetenskap.

Under tiden, för författarna, är deras strategi inte begränsad till spindelsilke. Studien avslöjade flera biofysiska principer för att bygga silkesmaterial med exceptionell styrka och flexibilitet.

Ytterligare experiment kan potentiellt ge nästa generations textilier utöver nuvarande kapacitet.

Om maskar, leddjur och historia

Naturen erbjuder en mängd inspiration för banbrytande material.

Ta kardborreband, kardborrematerialet som kan hänga upp dina badrumshanddukar eller säkra ditt barns skor. Det allestädes närvarande materialet var först uttänkt av den schweiziske ingenjören George de Mestral på 1940-talet när han försöker borsta bort grader av hans byxor efter en vandring. En ytterligare titt under mikroskopet visade att graderna hade vassa krokar som fastnade öglor i tyget. De Mestral förvandlade vandringsstråket till det kardborretyg som finns i alla järnaffärer idag.

Ett mindre taggigt exempel är siden. Först odlade av det antika Kina för ungefär 5,000 år sedan, silke spins från slingriga, runda silkesmaskar och spins till tyger med primitiva vävstolar. Dessa ömtåliga siden spred sig över hela Östasien och västerut, och hjälpte till att etablera den legendariska sidenvägen.

Men som alla som har ägt ett sidenplagg eller -lakan vet, är dessa otroligt ömtåliga material som lätt slits sönder och går sönder.

De utmaningar vi står inför med silkesilke delas av de flesta material.

Ett problem är styrka: hur mycket stretching ett material klarar av över tid. Tänk dig att rycka i en något krympt tröja efter tvätt. Ju mindre styrka fibrerna har, desto mindre sannolikt kommer plagget att hålla sin form. Det andra problemet är hårdheten. Enkelt uttryckt är det hur mycket energi ett material kan absorbera innan det bryts ner. En gammal tröja får lätt hål med bara ett ryck. Å andra sidan kan Kevlar, ett skottsäkert material, bokstavligen ta kulor.

Tyvärr utesluter de två egenskaperna varandra i dagens konstruerade material, sa teamet.

Naturen har dock en lösning: spindelsilke är både starkt och segt. Problemet är att bråka leddjuren för att producera silke i en säker och effektiv miljö. Dessa djur är elaka rovdjur. Hundra silkesmaskar i fångenskap kan gosa i fred; kasta hundra spindlar tillsammans och du får ett blodbad där bara en eller två återstår vid liv.

En spindelmasks livmoder

Tänk om vi kunde kombinera det bästa av silkesmaskar och spindlar?

Forskare har länge velat ingenjör en "träffa-gullig” datum för de två arterna med hjälp av genteknik. Nej, det är inte en cross-species rom-com. Huvudidén är att genetiskt förse silkesmaskar med förmågan att producera spindelsilke.

Men generna som kodar för spindelsilkeproteiner är stora. Detta gör dem svåra att fastna i andra varelsers genetiska kod utan att överväldigande naturliga celler och få dem att misslyckas.

Här använde teamet först en beräkningsmetod för att jaga den minimala strukturen av siden. Den resulterande modellen kartlade silkesproteinskillnader mellan silkesmaskar och spindlar. Lyckligtvis spinner båda arterna fibrer av liknande proteinstrukturer - kallade polyamidfibrer - även om var och en är baserad på olika proteinkomponenter.

En annan tur är delad anatomi. "Silkeskörtlarna hos inhemska silkesmaskar och spindelsilkeskörtlar uppvisar anmärkningsvärt liknande" fysiska och kemiska miljöer, sa teamet.

Med hjälp av modellen identifierade de en kritisk komponent som ökar sidenets styrka och seghet - ett relativt litet sidenprotein, MiSp, som finns i Araneus ventricosus spindlar från Östasien.

Med CRISPR-Cas9, ett genredigeringsverktyg, lade teamet sedan till gener som kodar för MiSp i silkesmaskar – vilket i huvudsak omvandlade dem till spindelsilke. Att åstadkomma detta var en teknisk mardröm som krävde hundra tusen av mikroinjektioner i befruktade silkesmaskägg för att redigera deras silkessnurrande körtlar. Som en förnuftskontroll lade teamet också till en gen som fick silkesmaskarnas ögon att lysa hemskt röda, vilket signalerade framgång.

Studieförfattare Junpeng Mi "dansade och sprang praktiskt taget till" huvudförfattaren, Dr Meng Qings kontor. "Jag minns den natten tydligt när spänningen höll mig vaken", sa Mi.

De resulterande maskspindlarna är ungefär sex gånger tuffare än Kevlar men ändå flexibla. Det är förvånande, sa Jones, eftersom fibrer som använder MiSp inte alltid är stretchiga. Som en bonus sprayade silkesmaskarna också naturligt ett slags skyddande beläggning för att stärka fibrerna. Detta gjorde dem potentiellt mer hållbar än tidigare konstgjort spindelsilke.

Teamet undersöker ytterligare sin beräkningsmodell för att designa biologiskt kompatibelt silke för medicinska suturer. Utöver det hoppas de att bli mer kreativa. Syntetiska biologer har länge velat utveckla konstgjorda aminosyror (de molekylära bitarna som utgör proteiner). Vad skulle hända om vi lade syntetiska aminosyror till biologiskt nedbrytbara tyger?

"Introduktionen av över hundra konstruerade aminosyror har en gränslös potential för konstruerade spindelsilkefibrer," sa Mi.

Bildkredit: Junpeng Mi, College of Biological Science and Medical Engineering, Donghua University, Shanghai, Kina

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://singularityhub.com/2023/09/26/transgenic-silkworms-spin-spider-silk-6x-tougher-than-kevlar/