Étirer la soie d'araignée la rend plus solide en alignant les chaînes de protéines

7 mars 2025

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par Northwestern University

Lorsque les araignées tissent leur toile, elles utilisent leurs pattes arrière pour tirer des brins de soie de leurs filières. Cette action de tirage n'aide pas seulement l'araignée à libérer la soie, elle constitue également une étape cruciale pour renforcer les fibres de soie et créer une toile plus durable.

Dans une nouvelle étude, les chercheurs de l'Université Northwestern ont découvert pourquoi le rôle de l'étirement est si important. En simulant la soie d'araignée dans un modèle informatique, l'équipe a découvert que le processus d'étirement aligne les chaînes de protéines à l'intérieur des fibres et augmente le nombre de liaisons entre ces chaînes. Ces deux facteurs conduisent à des fibres plus fortes et plus résistantes.

L'équipe a ensuite validé ces prédictions informatiques par des expériences en laboratoire utilisant de la soie d'araignée génétiquement modifiée. Ces connaissances pourraient aider les chercheurs à concevoir des protéines inspirées de la soie génétiquement modifiée et des processus de filature pour diverses applications, y compris des sutures solides et biodégradables et des armures corporelles résistantes et performantes.

L'étude est publiée dans Science Advances.

« Les chercheurs savaient déjà que cet étirement, ou filage, est nécessaire pour obtenir des fibres vraiment solides », a déclaré Sinan Keten de Northwestern, auteur principal de l'étude. « Mais personne ne savait vraiment pourquoi. Avec notre méthode informatique, nous avons pu étudier ce qui se passe à l'échelle nanométrique pour obtenir des informations qui ne peuvent pas être observées expérimentalement. Nous avons pu examiner comment l'étirement est lié aux propriétés mécaniques de la soie.

« Les araignées réalisent naturellement le processus d'étirement », a déclaré Jacob Graham, chercheur à Northwestern et premier auteur de l'étude. « Lorsqu'elles produisent de la soie à partir de leur glande à soie, les araignées utilisent leurs pattes arrière pour attraper la fibre et la tirer. Cela étire la fibre pendant sa formation. Cela rend la fibre très solide et très élastique. Nous avons constaté que vous pouvez modifier les propriétés mécaniques de la fibre simplement en modifiant la quantité d'étirement.

Expert en matériaux bioinspirés, Keten est le professeur Jerome B. Cohen en génie, professeur et vice-doyen en génie mécanique et professeur de génie civil et environnemental à l'école d'ingénierie McCormick de Northwestern. Graham est étudiant en doctorat dans le groupe de recherche de Keten.

Les chercheurs s'intéressent depuis longtemps à la soie d'araignée en raison de ses propriétés remarquables. Elle est plus solide que l'acier, plus résistante que le Kevlar et extensible comme du caoutchouc. Cependant, l'élevage d'araignées pour leur soie naturelle est coûteux, énergivore et difficile. Par conséquent, les scientifiques veulent recréer des matériaux similaires à la soie en laboratoire.

« La soie d'araignée est la fibre organique la plus solide », a déclaré Graham. « Elle présente également l'avantage d'être biodégradable. C'est donc un matériau idéal pour les applications médicales. Elle pourrait être utilisée pour des sutures chirurgicales et des gels adhésifs pour la fermeture de plaies car elle se dégraderait naturellement et sans danger dans le corps.

Fuzhong Zhang, co-auteur de l'étude et professeur Francis F. Ahmann à l'université de WashU à St. Louis, a travaillé depuis plusieurs années sur l'ingénierie de microbes pour produire des matériaux à base de soie d'araignée. En extrudant des protéines de soie d'araignée génétiquement modifiées puis en les étirant à la main, l'équipe a mis au point des fibres artificielles similaires aux fils de l'épeire, une grande araignée avec une toile spectaculairement solide.

Malgré le développement de cette « recette » pour la soie d'araignée, les chercheurs ne comprennent toujours pas pleinement comment le processus de filature modifie la structure et la résistance des fibres. Pour répondre à cette question ouverte, Keten et Graham ont développé un modèle informatique pour simuler les dynamiques moléculaires à l'intérieur de la soie artificielle de Zhang.

Grâce à ces simulations, l'équipe de Northwestern a exploré comment l'étirement affecte l'arrangement des protéines à l'intérieur des fibres. Plus précisément, ils ont examiné comment l'étirement modifie l'ordre des protéines, la connexion des protéines entre elles et le mouvement des molécules à l'intérieur des fibres.

Keten et Graham ont découvert que l'étirement alignait les protéines, ce qui augmentait la résistance globale de la fibre. Ils ont également constaté que l'étirement augmentait le nombre de liaisons hydrogène, qui agissent comme des ponts entre les chaînes de protéines pour former la fibre. L'augmentation des liaisons hydrogène contribue à la solidité, à la résistance et à l'élasticité globale de la fibre, ont constaté les chercheurs.

« Une fois qu'une fibre est extrudée, ses propriétés mécaniques sont en fait assez faibles », a déclaré Graham. « Mais une fois qu'elle est étirée jusqu'à six fois sa longueur initiale, elle devient très solide.

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