Att sträcka spindelsiden gör den starkare genom att rikta proteinkedjorna.

7 mars 2025

Den här artikeln har granskats enligt Science X:s redaktionella process och riktlinjer. Redaktörerna har framhävt följande egenskaper medan de säkerställer innehållets trovärdighet:

faktagranskad

peer-reviewed publicering

pålitlig källa

korrekturläst

av Northwestern University

När spindlar spinner sina nät använder de sina bakben för att dra silkestrådar från sina spinnar. Denna dragåtgärd hjälper inte bara spindeln att släppa ut silket, den är också ett avgörande steg för att stärka silkestrådarna för ett mer hållbart nät.

I en ny studie har forskare vid Northwestern University upptäckt varför sträckningens roll är så viktig. Genom att simulera spindelsilke i en beräkningsmodell upptäckte teamet att sträckningsprocessen får proteinkedjorna inom fibrerna att linjera sig och öka antalet bindningar mellan dessa kedjor. Båda faktorerna leder till starkare, tåligare fibrer.

Teamet validerade sedan dessa beräkningsförutsägelser genom laboratorieexperiment med konstgjort spindelsilke. Dessa insikter kan hjälpa forskare att designa konstgjorda silk-inspirerade proteiner och spinningsprocesser för olika tillämpningar, inklusive starka, nedbrytbara suturer och tåliga, högpresterande, explosivsäkra kroppsskydd.

Studien publiceras i Science Advances.

'Forskare visste redan att denna sträckning, eller dragning, är nödvändig för att skapa riktigt starka fibrer,' sade Northwesterns Sinan Keten, studiens huvudförfattare. 'Men ingen visste nödvändigtvis varför. Med vår beräkningsmetod kunde vi undersöka vad som sker på nanoskalan för att få insikter som inte kan ses experimentellt. Vi kunde undersöka hur dragning påverkar silkets mekaniska egenskaper.'

'Spindlar utför dragningsprocessen naturligt,' sade Northwestern-forskaren Jacob Graham, studiens första författare. 'När de spinner silke från sin silkkörtel använder spindlar sina bakben för att greppa fibrerna och dra ut dem. Det sträcker fibrerna när de formas. Det gör fibrerna mycket starka och elastiska. Vi fann att du kan ändra fiberns mekaniska egenskaper helt enkelt genom att ändra mängden sträckning.'

Som expert på bioinspirerande material är Keten Jerome B. Cohen-professorn i teknik, professor och biträdande ordförande i maskinteknik samt professor i bygg- och miljöteknik vid McCormick School of Engineering vid Northwestern. Graham är doktorand i Ketens forskargrupp.

Forskare har länge varit intresserade av spindelsilke på grund av dess anmärkningsvärda egenskaper. Det är starkare än stål, tuffare än Kevlar och elastiskt som gummi. Men att odla spindlar för deras naturliga silke är dyrt, energikrävande och svårt. Därför vill forskare istället återskapa silikalika material i labbet.

'Spindelsilke är det starkaste organiska fibers,' sade Graham. 'Det har också fördelen att vara nedbrytbart. Så det är ett idealiskt material för medicinska tillämpningar. Det skulle kunna användas för kirurgiska suturer och klistergeler för sårläkning eftersom det naturligt skulle brytas ned i kroppen utan skada.'

Studie medförfattare Fuzhong Zhang, Francis F. Ahmann-professorn vid Washington University (WashU) i St. Louis, har under flera år konstruerat mikroorganismer för att producera spindelsilksmaterial. Genom att pressa ut konstruerade spindelsilksproteiner och sedan sträcka dem för hand har teamet utvecklat konstgjorda fibrer liknande trådar från den gyllene sidenorbweavern, en stor spindel med ett spektakulärt starkt nät.

Trots att de har utvecklat detta 'recept' för spindelsilke, förstår forskare fortfarande inte fullständigt hur spinningsprocessen förändrar fiberstrukturen och styrkan. För att ta itu med denna öppna fråga utvecklade Keten och Graham en beräkningsmodell för att simulera molekylär dynamik inom Zhangs konstgjorda silke.

Genom dessa simuleringar utforskade Northwestern-teamet hur sträckning påverkar proteinernas arrangemang inom fibrerna. Specifikt undersökte de hur sträckning ändrar ordningen av proteiner, kopplingen av proteiner till varandra och rörelsen av molekyler inom fibrerna.

Keten och Graham fann att sträckning fick proteinerna att gå i linje, vilket ökade fibrernas totala styrka. De fann också att sträckning ökade antalet vätebindningar, som fungerar som broar mellan proteinerna för att bilda fibern. Ökningen av vätebindningarna bidrar till fibrernas totala styrka, tålighet och elasticitet, fann forskarna.

'När en fiber pressas ut är dess mekaniska egenskaper faktiskt ganska svaga,' sade Graham. 'Men när den sträcks upp till sex gånger sin ursprungliga längd blir den mycket stark.'

Upptäck det senaste inom vetenskap, teknik och rymden med över 100 000 prenumeranter som förlitar sig på Phys.org för dagliga insikter. Registrera dig för vårt gratis nyhetsbrev och få uppdateringar om genombrott, innovationer och forskning som betyder något - dagligen eller veckovis. För att validera sina beräkningsresultat använde teamet spektroskopitekniker för att undersöka hur proteinsträngarna sträcktes och anpassades i verkliga fibrer från WashU-teamet. De använde också dragprovning för att se hur mycket fibrerna kunde tåla innan de brast. De experimentella resultaten överensstämde med simuleringens förutsägelser. "'Om du inte sträcker materialet har du dessa sfäriska proteinglobber,' sade Graham. 'Men genom att sträcka omvandlas dessa globber till ett mer sammanlänkat nätverk. Proteinsträngarna staplar på varandra, och nätverket blir mer och mer sammanlänkat. Buntade proteiner har större potential att lösa upp och sträcka sig längre innan fibrerna brister, men initialt utsträckta proteiner ger mindre elastiska fibrer som kräver mer kraft för att brista.' Även om Graham tidigare ansåg spindlar vara läskiga kryp, ser han nu deras potential att hjälpa till att lösa verkliga problem. Han noterar att konstgjord spindelsilke ger ett starkare, nedbrytbart alternativ till andra syntetiska material, som främst är petroleumbaserade plaster. "'Jag ser definitivt spindlar i en nytt ljus,' sade Graham. 'Jag brukade tycka att de var besvär. Nu ser jag dem som en källa till fascination.' Ytterligare information: Jacob Graham m.fl., Kartläggning av det mekaniska egenskapsintervallet hos syntetiska silkefiber genom förutsägande modellering av dragprocessen, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adr3833. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr3833 Tidskriftsinformation: Science Advances Tillhandahålls av Northwestern University