Mysteriet om, hvordan sorte enkeedderkopper skaber stålstyrke silkespind, blev yderligere optrevlet

Forskere ved Northwestern University og San Diego State University (SDSU) har bedre afsløret den komplekse proces, hvordan sorte enkeedderkopper omdanner proteiner til fibre af stålstyrke. Denne viden lover at hjælpe videnskabsfolk med at skabe lige så stærke syntetiske materialer.

Sorte enke edderkopper og deres slægtninge, hjemmehørende i tempererede klimaer i Nordamerika, Europa, Asien, Australien, Afrika og Sydamerika, producere en række silke med exceptionelle materialeegenskaber.

Forskere har længe kendt den primære sekvens af aminosyrer, der udgør nogle edderkoppesilkeproteiner, og forstået strukturen af ​​fibre og spind. Tidligere forskning teoretiserede, at edderkoppesilkeproteiner afventer spinningsprocessen som amfifile sfæriske miceller i nanostørrelse (klynger af vandopløselige og uopløselige molekyler), før de ledes gennem edderkoppens spindeapparat for at danne silkefibre. Imidlertid, da videnskabsmænd forsøgte at replikere denne proces, de var ude af stand til at skabe syntetiske materialer med styrkerne og egenskaberne fra indfødte edderkoppesilkefibre.

"Videnskløften var bogstaveligt talt i midten, " Northwesterns Nathan C. Gianneschi sagde. "Hvad vi ikke helt forstod, er, hvad der foregår på nanoskalaen i silkekirtlerne eller den roterende kanal - opbevaringen, transformations- og transportproces involveret i, at proteiner bliver til fibre."

Gianneschi er Jacob og Rosaline Cohn-professor i afdelingen for kemi på Weinberg College of Arts and Sciences og i afdelingerne for materialevidenskab og teknik og for biomedicinsk teknik på McCormick School of Engineering. Han og Gregory P. Holland, lektor ved afdelingen for kemi og biokemi på SDSU og forfatter til mere end 40 artikler om edderkoppesilke, er avisens medkorresponderende forfattere.

Forskningen vil blive offentliggjort online i ugen den 22. oktober i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) .

Brug af komplementære, state-of-the-art teknikker - kernemagnetisk resonans (NMR) spektroskopi, den samme teknologi, der bruges i MR, på SDSU, efterfulgt af elektronmikroskopi på Northwestern - forskerholdet var i stand til at se nærmere inde i proteinkirtlen, hvor silkefibrene stammer fra, afslører en meget mere kompleks, hierarkisk proteinsamling.

Denne "modificerede micellerteori" konkluderer, at edderkoppesilkeproteiner ikke starter som simple sfæriske miceller, som tidligere antaget, men i stedet for komplekst, sammensatte miceller. Denne unikke struktur er potentielt nødvendig for at skabe den sorte enke-edderkops imponerende fibre.

"Vi ved nu, at sorte enke-edderkoppesilker er spundet ud fra hierarkiske nanosamlinger (200 til 500 nanometer i diameter) af proteiner, der er lagret i edderkoppens underliv, snarere end fra en tilfældig opløsning af individuelle proteiner eller fra simple sfæriske partikler, " sagde Holland.

Hvis duplikeres, "de praktiske anvendelser for et materiale som dette er i det væsentlige ubegrænsede, " sagde Holland, og kunne omfatte højtydende tekstiler til militær, førstehjælpere og atleter; byggematerialer til kabelbroer og andet byggeri; miljøvenlige erstatninger for plast; og biomedicinske applikationer.

"Man kan ikke overvurdere den potentielle indvirkning på materialer og teknik, hvis vi syntetisk kan replikere denne naturlige proces for at producere kunstige fibre i skala, " sagde Gianneschi, som også er associeret direktør for International Institute for Nanotechnology og medlem af Simpson Querrey Institute og Chemistry of Life Processes Institute i Northwestern. "Kort fortalt, det ville være transformerende."

Det PNAS papiret har titlen "Hierarkiske Spidroin micellære nanopartikler som de grundlæggende forløbere for edderkoppesilke."