Nieuwsbrief

Blijf wekelijks op de hoogte van het beste uit De Kennis van Nu en het laatste nieuws!

MELD JE AAN
Spinrag als wondermateriaal
Zijde van rupsen wordt al duizenden jaren gebruikt voor kleding, maar de zijderevolutie voor de industrie moet nog komen. De grote uitdaging is om de supersterke en elastische zijden draden van spinnen kunstmatig na te maken.

Spinnen maken zijden draden die naar gewicht vijf keer sterker zijn dan staal en drie keer taaier dan Kevlar. Er komen geen schadelijke stoffen bij het maken van spinnenwebben vrij, zoals in de kunstmatige vezelindustrie, en het materiaal is biologisch afbreekbaar. Dat maakt spinnenzijde ideaal als toekomstig materiaal voor de industrie en de medische sector, schrijven Amerikaanse onderzoekers van de Tufts University deze week in Science. Maar dan moet het wel lukken om op grote schaal kunstmatig zijde te produceren.

Spinnen zijn vrij agressief en territoriaal en daarom moeilijk te fokken zoals zijdewormen. Bovendien maken ze maar vrij kleine hoeveelheden zijde aan. Onderzoekers proberen daarom al jarenlang kunstmatige spinnenzijde te maken. Hoewel zijde gewoon bestaat uit eiwitten en water, blijkt dat knap lastig. Zijde lijkt gevormd te worden door een zeer precieze combinatie van chemie en het spinproces.

Zijdemysterie
In hun poging om het zijdemysterie te ontrafelen, hebben onderzoekers in de afgelopen jaren allerlei testopstellingen gebouwd om kunstmatig zijde te maken. Onderzoekers zijn er eerder al in geslaagd om spinrag te maken door middel van genetische manipulatie. Zo zijn er transgene dieren, bacteriën en gisten gemaakt die extra DNA van spinnen bevatten, waardoor ze zijde-eiwitten produceren. Maar deze zijde-eiwitten waren vaak onhandelbaar en niet sterk genoeg om goede draden van te trekken.

Een internationaal onderzoeksteam schrijft deze week in PNAS hoe ze erin zijn geslaagd om een kunstmatige spinnendraad te produceren, waarvan de mechanische eigenschappen wel in de buurt komen van een natuurlijke draad. Het zou de sterkste en meest taaie kunstmatige draad tot nog toe zijn. De onderzoekers hebben DNA van de gouden zijdespin toegevoegd aan de bacterie Escherichia coli (E. coli) en daaruit zijde-eiwitten geproduceerd. De draden werden met de hand getrokken.

Grote eiwitten
Volgens het onderzoeksteam is er een directe relatie tussen de grootte van de eiwitten en de mechanische eigenschappen van de draad. Grotere eiwitten zorgen voor een betere hechting tussen de vezels van de draad en minder beschadigingen aan de uiteinden van de draad. De gebruikte eiwitten zijn bovendien rijk aan het aminozuur glycine, dat eveneens zorgt voor een goede hechting tussen de vezels, en elasticiteit van de draad. De volgende stap is om dit proces op te schalen voor massaproductie.

De onderzoekers van de Tufts University schrijven in Science dat het nog moeilijk te zeggen is of transgene dieren of bacteriën het meest geschikt zijn voor kunstmatige zijdeproductie op grote schaal. Ook noemen ze transgene planten als interessante duurzame mogelijkheid, omdat zijde dan net zo geteelt zou kunnen worden als katoen.

Zijden hechtingen
In de afgelopen jaren wordt zijde langzaamaan gebruikt voor andere toepassingen dan alleen kleding; zoals in de medische sector. Hoewel hechtingen van zijde duizenden jaren lang werden gebruikt, zijn ze vanaf de jaren dertig grotendeels vervangen door nylon en daarna door afbreekbare polymeren. De zijden hechting maakt nu weer een comeback, al zijn ze nog voorzien van een coating van was om te snel afbreken te voorkomen. Maar daardoor zijn ze helemaal niet meer afbreekbaar. De onderzoekers van Tufts University verwachten dat in de massaproductie van kunstmatige zijde de afbreekbaarheid van het materiaal beter gecontroleerd zal kunnen worden.

Zijde kan bovendien verwerkt worden tot onder meer gels, transparante films, vezels en sponsachtige structuren voor allerhande toepassingen. Daarbij valt te denken aan zijde in ‘steigervorm’ als hulpmiddel in de reparatie van botbreuken en herstel van lichaamsweefsel. Of in de productie van afbreekbare en flexibele elektronica voor toepassing in en op het lichaam. De mogelijkheden zijn eindeloos; nu alleen nog een spinrobot die snel en massaal technisch superieure draden kan trekken.

Paul Schilperoord

Fiorenzo G. Omenetto e.a., ‘New Opportunities for an Ancient Material’, in Science, 30 juli 2010.

Xiao-Xia Xia e.a., ‘Native-sized recombinant spider silk protein produced in metabolically engineered Escherichia coli results in a strong fiber’, in PNAS, 26 juli 2010.