Het rekken van spinnen zijde maakt het sterker door eiwitketens uit te lijnen

7 maart 2025

Dit artikel is beoordeeld volgens het redactieproces en beleid van Science X. Redacteuren hebben de volgende kenmerken benadrukt terwijl ze de geloofwaardigheid van de inhoud waarborgen:

feiten gecontroleerd

peer-reviewed publicatie

betrouwbare bron

gecontroleerd op spelfouten

door Northwestern University

Wanneer spinnen hun web weven, gebruiken ze hun achterpoten om zijden draden uit hun spintepels te trekken. Deze trekbeweging helpt niet alleen de spin om de zijde vrij te geven, het is ook een cruciale stap in het versterken van de zijden vezels voor een duurzamer web.

In een nieuw onderzoek hebben onderzoekers van de Northwestern University ontdekt waarom de rol van rekken zo belangrijk is. Door het simuleren van spinnenzijde in een computationeel model, ontdekte het team dat het rekken van het proces de eiwitketens binnen de vezels uitlijnt en het aantal bindingen tussen die ketens verhoogt. Beide factoren leiden tot sterkere, taaiere vezels.

Het team heeft deze computationele voorspellingen vervolgens bevestigd via laboratoriumexperimenten met gemodificeerde spinnenzijde. Deze inzichten zouden onderzoekers kunnen helpen bij het ontwerpen van gemodificeerde zijde-geïnspireerde eiwitten en spinprocessen voor verschillende toepassingen, waaronder sterke, biologisch afbreekbare hechtingen en taai, hoogwaardig, explosiebestendig lichaamspantser.

Het onderzoek is gepubliceerd in Science Advances.

'Onderzoekers wisten al dat dit rekken, of trekken, noodzakelijk is voor het maken van zeer sterke vezels,' aldus Sinan Keten van Northwestern, de senior auteur van het onderzoek. 'Maar niemand wist echt waarom. Met onze computationele methode konden we onderzoeken wat er op nanoschaal gebeurt om inzichten te krijgen die experimenteel niet kunnen worden waargenomen. We konden onderzoeken hoe het rekken verband houdt met de mechanische eigenschappen van zijde.'

'Spinnen voeren het rekproces natuurlijk uit,' zei Jacob Graham van Northwestern, de eerste auteur van het onderzoek. 'Wanneer ze zijde spinnen uit hun zijdeachtige klier, gebruiken spinnen hun achterpoten om de vezel te pakken en eruit te trekken. Dat rekt de vezel uit terwijl deze wordt gevormd. Het maakt de vezel zeer sterk en zeer elastisch. We ontdekten dat je de mechanische eigenschappen van de vezel eenvoudig kunt aanpassen door de hoeveelheid rekken te wijzigen.'

Keten, een expert in bio-geïnspireerde materialen, is de Jerome B. Cohen Professor of Engineering, professor en associate chair of mechanical engineering en professor of civil and environmental engineering aan de McCormick School of Engineering van Northwestern. Graham is een promovendus in Keten's onderzoeksgroep.

Onderzoekers zijn al lange tijd geïnteresseerd in spinnenzijde vanwege de opmerkelijke eigenschappen. Het is sterker dan staal, taaier dan Kevlar en rekbaar als rubber. Maar het fokken van spinnen voor hun natuurlijke zijde is duur, energie-intensief en moeilijk. Wetenschappers willen daarom in plaats daarvan zijde-achtige materialen in het laboratorium namaken.

'Spinnenzijde is de sterkste organische vezel,' aldus Graham. 'Het heeft ook als voordeel dat het biologisch afbreekbaar is. Daarom is het een ideaal materiaal voor medische toepassingen. Het zou kunnen worden gebruikt voor chirurgische hechtingen en kleefgels voor wondsluiting omdat het van nature, onschadelijk afbreekt in het lichaam.'

Fuzhong Zhang, mede-auteur van de studie en Francis F. Ahmann Professor aan de Washington University (WashU) in St. Louis, heeft al enkele jaren microben ontwikkeld om spinnenzijde materialen te produceren. Door gemodificeerde spinnenzijde-eiwitten te extruderen en deze vervolgens met de hand uit te rekken, heeft het team kunstmatige vezels ontwikkeld die lijken op draden van de gouden zijde-wever, een grote spin met een spectaculair sterk web.

Ondanks dat ze dit 'recept' voor spinnenzijde hebben ontwikkeld, begrijpen onderzoekers nog steeds niet volledig hoe het spinproces de structuur en sterkte van de vezels verandert. Om deze open vraag aan te pakken, hebben Keten en Graham een computationeel model ontwikkeld om de moleculaire dynamica binnen Zhang's kunstzijde te simuleren.

Met behulp van deze simulaties onderzocht het team van Northwestern hoe rekken de ordening van eiwitten binnen de vezels beïnvloedt. Specifiek keken ze hoe rekken de volgorde van eiwitten verandert, de verbinding van eiwitten met elkaar en de beweging van moleculen binnen de vezels.

Keten en Graham ontdekten dat rekken ervoor zorgde dat de eiwitten zich uitlijnden, wat de algehele sterkte van de vezel verhoogde. Ze ontdekten ook dat rekken het aantal waterstofbruggen verhoogde, die fungeren als bruggen tussen de eiwitketens om de vezel te vormen. De toename van waterstofbruggen draagt bij aan de algehele sterkte, taaiheid en elasticiteit van de vezel, zo vonden de onderzoekers.

'Zodra een vezel is geëxtrudeerd, zijn de mechanische eigenschappen eigenlijk behoorlijk zwak,' aldus Graham. 'Maar wanneer het tot zes keer zijn oorspronkelijke lengte wordt uitgerekt, wordt het zeer sterk.'

Ontdek het laatste nieuws op het gebied van wetenschap, technologie en ruimte met meer dan 100.000 abonnees die vertrouwen op Phys.org voor dagelijkse inzichten. Meld je aan voor onze gratis nieuwsbrief en ontvang updates over doorbraken, innovaties en onderzoek die er toe doen - dagelijks of wekelijks.

Om hun computationele bevindingen te valideren, gebruikte het team spectroscopietechnieken om te onderzoeken hoe de eiwitketens zich uitrekten en uitlijnden in echte vezels van het WashU-team. Ze gebruikten ook trekproeven om te zien hoeveel rek de vezels konden verdragen voordat ze braken. De experimentele resultaten kwamen overeen met de voorspellingen van de simulatie.

'Als je het materiaal niet rekt, heb je deze bolletjes van eiwitten,' zei Graham. 'Maar door te rekken veranderen deze bolletjes in meer een onderling verbonden netwerk. De eiwitketens stapelen zich op elkaar en het netwerk wordt steeds meer met elkaar verbonden. Gebundelde eiwitten hebben meer potentie om te ontwarren en verder uit te rekken voordat de vezel breekt, maar aanvankelijk uitgerekte eiwitten maken minder rekbaar vezels die meer kracht vereisen om te breken.'

Hoewel Graham vroeger dacht dat spinnen gewoon enge beestjes waren, ziet hij nu hun potentieel om echte problemen op te lossen. Hij merkt op dat technisch geproduceerde spinnenzijde een sterkere, biologisch afbreekbare alternatief biedt voor andere synthetische materialen, die grotendeels op aardolie gebaseerde kunststoffen zijn.

'Ik bekijk spinnen zeker met andere ogen,' zei Graham. 'Ik dacht vroeger dat ze vervelend waren. Nu zie ik ze als een bron van fascinatie.'

Meer informatie: Jacob Graham et al, Het in kaart brengen van het bereik van mechanische eigenschappen van synthetische zijdevezels door voorspellende modellering van het trekproces, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adr3833. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr3833

Tijdschrift informatie: Science Advances

Geleverd door Northwestern University