Hvordan er en brun eneboer-edderkop som en samurai-sværdsmed?

Der er to egenskaber, der arbejder sammen for at gøre edderkoppesilke så stærk og sej.

Hannes Schniepp siger, at den molekylære struktur af proteinet, som silken er spundet af – den første del af edderkoppens hemmelighed – er ret godt forstået.

"Moderne biologi har givet os værktøjerne til at køre en sekvens, " sagde Schniepp. "Men det er kun et skridt."

Schniepp er lektor i William &Mary's Department of Applied Science. Han og hans laboratorium har arbejdet på reverse-engineering af andet trin:hvordan edderkoppens spinnerapparat mekanisk behandler og organiserer proteinet. Nogle edderkopper har udviklet organer til at ekstrudere tråde, for deres størrelse, er meget stærkere end stål. De har modtaget nye midler fra National Science Foundation til at fortsætte deres forskning.

Laboratoriet fokuserer på brune eneboer-edderkopper, som Schniepp sammenligner med lauget af legendariske asiatiske sværdsmede.

"Smedene, der arbejdede for samuraierne i Japan, fandt ud af en meget kompliceret måde at lave klinger på, der var bedre end noget andet sværd, " sagde han. "Det hele var i den måde, de behandlede materialet på.

"Til sidst, bladet er stadig lavet af jern og kulstof - men hvis du behandler dem på den rigtige måde, du får et fremragende produkt, " fortsatte han.

De japanske sværdsmede diskuterede ikke hemmelighederne bag deres håndværk, og det gør den brune eneboer heller ikke. Så Schiepp-laboratoriet bruger en række instrumenter og teknikker til at udlede edderkoppens metode ud fra detaljerede, minutundersøgelse af webmaterialet.

Schniepp og andre materialeforskere er interesserede i at lære den brune eneboers hemmeligheder som et væsentligt første skridt til at syntetisere stoffet. Han påpeger, at hans laboratorium også er interesseret i andre naturlige silke.

"Den brune eneboer-edderkop som et virkelig spændende modelsystem, der giver os unik indsigt i, hvordan silke virker. Og indtil videre, vi har fokuseret stærkt på den brune eneboer, " sagde Schniepp. "Men vi tror, ​​at det, vi kan lære af eneboeren, også gælder andre silke - andre edderkoppesilke og endda silkeormsilke. Så vi udvider på en måde vores muligheder for at få en mere generel forståelse af silke – hvordan de virker, deres indre mekanik."

Han påpegede, at der er et "stort spektrum" af mulige anvendelser for syntetiske proteiner inspireret af fibrene produceret af insekter og spindlere. Materialer baseret på naturlige stoffer vil sandsynligvis være mere miljømæssigt bæredygtige end den nuværende afgrøde af plast fremstillet af fossile brændstoffer. For eksempel, Schniepp forestiller sig en vandflaske lavet af et protein.

"Så du drikker vandet, " siger han. "Og når du så er færdig, du kan spise flasken og få din daglige dosis protein. Eller du kan bare smide det udenfor, så kommer der et dyr og spiser det."

Tiden for sådanne nyttige syntetiske stoffers begyndelse er over os, sagde Schniepp. Han nævnte et startup-firma i Californien, der skaber designertøj - "dyrt, med et meget højt prisskilt" - fra en syntetisk silke.

Målet med Schniepp-laboratoriet er at fremme forståelsen af ​​de naturlige silke, og hvordan de produceres, så syntetiske versioner kan skaleres op til masseproduktion ud over boutique-markeder.

"Du starter med at lave små mængder, " han sagde, "og de bliver naturligvis dyre. Men efterhånden som du lærer mere, du lærer at optimere, og det bliver billigere og billigere."

Schniepp-laboratoriet har studeret brun eneboer-edderkoppesilke i fem år, og det har ydet væsentlige bidrag til opklaringen af ​​edderkoppens hemmeligheder. Deres arbejde har ryddet vejen for en bedre forståelse af den brune eneboers silke.

"Før, folk havde alle mulige komplekse modeller af, hvordan silkefiberen ser ud, og hvad der gør en silkefiber så stærk. Men det var altid meget svært at bekræfte dette direkte, " sagde han. "Eksperimentelle beviser var virkelig sparsomme."

Men eneboeren laver en silke, der har en anden form end andre edderkopper, et faktum, som Schniepps laboratorium var i stand til at bruge til at finde ud af en ny måde at se inde i silkestrengstrukturen. "Og hvad vi lærte er, at dette bånd udelukkende består af nanofibriller, " forklarede han - tråde, der er 3, 000 gange tyndere i diameter end et menneskehår.

De rapporterede også, at silken består af individuelle nanofibriller, der er lagt parallelt - ikke snoet som tråde af et reb. En anden opdagelse er, at den brune eneboer øger silkens styrke ved at spinde små løkker ind i hver tråd.

Den nye NSF-finansiering vil give laboratoriet mulighed for at fortsætte deres undersøgelse af nanofibrillernes natur, ved hjælp af avanceret mikroskopi og spektroskopi. Målet er at fuldende forståelsen af ​​silken, fra det molekylære niveau, der strækker sig til længden af ​​hele silkefiberen.

Medlemmer af Schniepp-laboratoriet omfatter studerende såvel som Ph.D. studerende hos William &Mary. Schniepp siger, at han vil fortsætte opsøgende programmer til K-12 STEM-studerende.

"Vi har haft mellemskoleelever i vores laboratorium. Vi tilbyder sommerpraktik til gymnasieelever; jeg havde flere studerende, der tog et års seniorforskerpraktik fra Governor's School of Science and Technology i Hampton, " sagde Schniepp. "Vi kan virkelig nå ud til folk på alle niveauer og få dem begejstrede for denne forskning og måske påvirke nogle af dem til at vælge en karriere inden for STEM og hjælpe med at fremme disse nye teknologier."