Onderzoekers van de Northwestern University en de San Diego State University (SDSU) hebben het complexe proces van hoe zwarte weduwe-spinnen eiwitten omzetten in staalsterke vezels, beter ontrafeld. Deze kennis belooft wetenschappers te helpen bij het maken van even sterke synthetische materialen.

Zwarte weduwenspinnen en hun verwanten, inheems in gematigde klimaten in Noord-Amerika, Europa, Azië, Australië, Afrika en Zuid-Amerika, produceren een scala aan zijde met uitzonderlijke materiaaleigenschappen.

Wetenschappers kennen al lang de primaire volgorde van aminozuren waaruit sommige spinnenzijde-eiwitten bestaan ​​en begrepen de structuur van de vezels en webben. Eerder onderzoek theoretiseerde dat spinnenzijde-eiwitten wachten op het spinproces als amfifiele bolvormige micellen van nanogrootte (clusters van in water oplosbare en niet-oplosbare moleculen) voordat ze door het spinapparaat van de spin worden geleid om zijdevezels te vormen. Echter, toen wetenschappers probeerden dit proces te repliceren, ze waren niet in staat om synthetische materialen te maken met de sterke punten en eigenschappen van inheemse spinzijdevezels.

"De kenniskloof zat letterlijk in het midden, Nathan C. Gianneschi van Northwestern zei. "Wat we niet helemaal begrepen, is wat er op nanoschaal gebeurt in de zijdeklieren of het draaiende kanaal - de opslag, transformatie- en transportproces betrokken bij eiwitten die vezels worden."

Gianneschi is de Jacob en Rosaline Cohn-hoogleraar in de afdeling scheikunde van het Weinberg College of Arts and Sciences en in de afdelingen materiaalkunde en engineering en biomedische technologie van de McCormick School of Engineering. Hij en Gregory P. Holland, universitair hoofddocent in de afdeling chemie en biochemie van SDSU en auteur van meer dan 40 artikelen over spinzijde, zijn de corresponderende auteurs van het papier.

Het onderzoek wordt in de week van 22 oktober online gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences (PNAS) .

Gebruikmakend van complementaire, state-of-the-art technieken-nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie, dezelfde technologie die wordt gebruikt in MRI, bij SDSU, gevolgd door elektronenmicroscopie bij Northwestern - het onderzoeksteam kon beter in de eiwitklier kijken waar de zijdevezels vandaan komen, onthullen een veel complexere, hiërarchische eiwitsamenstelling.

Deze "gemodificeerde micellentheorie" concludeert dat spinnenzijde-eiwitten niet beginnen als eenvoudige bolvormige micellen, zoals eerder gedacht, maar in plaats daarvan zo complex, samengestelde micellen. Deze unieke structuur is mogelijk vereist om de indrukwekkende vezels van de zwarte weduwespin te creëren.

"We weten nu dat spinzijde van de zwarte weduwe wordt gesponnen uit hiërarchische nano-assemblages (200 tot 500 nanometer in diameter) van eiwitten die zijn opgeslagen in de buik van de spin, in plaats van uit een willekeurige oplossing van individuele eiwitten of van eenvoudige bolvormige deeltjes, ' zei Nederland.

Indien gedupliceerd, "de praktische toepassingen voor een materiaal als dit zijn in wezen onbeperkt, "Holland zei, en kan hoogwaardig textiel voor militaire, eerstehulpverleners en atleten; bouwmaterialen voor kabelbruggen en andere constructies; milieuvriendelijke vervangers voor kunststoffen; en biomedische toepassingen.

"Je kunt de potentiële impact op materialen en engineering niet overschatten als we dit natuurlijke proces synthetisch kunnen repliceren om kunstmatige vezels op grote schaal te produceren, " zei Gianneschi, die ook associate director is van het International Institute for Nanotechnology en lid van het Simpson Querrey Institute en het Chemistry of Life Processes Institute in Northwestern. "Simpel gezegd, het zou transformerend zijn."

De PNAS paper is getiteld "Hierarchical Spidroin Micellar Nanoparticles as the Fundamental Precursors of Spider Silks."