Er zijn twee eigenschappen die samenwerken om spinrag zo sterk en taai te maken.

Hannes Schniepp zegt dat de moleculaire structuur van het eiwit waaruit de zijde wordt gesponnen - het eerste deel van het geheim van de spin - vrij goed wordt begrepen.

"De moderne biologie heeft ons de tools gegeven om een ​​reeks uit te voeren, "Zei Schniepp. "Maar dat is maar één stap."

Schniepp is universitair hoofddocent bij William &Mary's Department of Applied Science. Hij en zijn lab hebben gewerkt aan reverse-engineering van de tweede stap:hoe het spinnerapparaat van de spin het eiwit mechanisch verwerkt en organiseert. Sommige spinnen hebben organen ontwikkeld om strengen te extruderen die, voor hun grootte, zijn veel sterker dan staal. Ze hebben nieuwe financiering ontvangen van de National Science Foundation om hun onderzoek voort te zetten.

Het lab richt zich op bruine kluizenaarspinnen, die Schniepp vergelijkt met het gilde van legendarische Aziatische zwaardsmeden.

"De smeden die voor de samoerai in Japan werkten, bedachten een zeer gecompliceerde manier om messen te maken die beter waren dan enig ander zwaard, " zei hij. "Het zat allemaal in de manier waarop ze het materiaal behandelden.

"Uiteindelijk, het mes is nog steeds gemaakt van ijzer en koolstof, maar als je ze op de juiste manier behandelt, u krijgt een uitstekend product, " hij ging verder.

De Japanse zwaardsmeden bespraken de geheimen van hun vak niet en de bruine kluizenaar ook niet. Daarom gebruikt het Schiepp-lab een scala aan instrumenten en technieken om de methode van de spin af te leiden uit gedetailleerde, minutieus onderzoek van het webmateriaal.

Schniepp en andere materiaalwetenschappers zijn geïnteresseerd in het leren van de geheimen van de bruine kluizenaar als een essentiële eerste stap naar het synthetiseren van de stof. Hij wijst erop dat zijn lab ook geïnteresseerd is in andere natuurlijke zijde.

"De bruine kluizenaarspin als een echt spannend modelsysteem dat ons unieke inzichten geeft in hoe zijde werkt. En tot nu toe, we hebben ons sterk gericht op de bruine kluizenaar, "Zei Schniepp. "Maar we denken dat wat we kunnen leren van de kluizenaar ook van toepassing is op andere zijde - andere spinzijde en zelfs zijde van zijderupsen. Dus we verbreden onze reikwijdte om een ​​meer algemeen begrip te krijgen van zijde - hoe ze werken, hun innerlijke mechanica."

Hij wees erop dat er een "enorm spectrum" is van mogelijke toepassingen voor synthetische eiwitten die zijn geïnspireerd op de vezels die worden geproduceerd door insecten en spinachtigen. Materialen op basis van natuurlijke stoffen zijn waarschijnlijk duurzamer voor het milieu dan de huidige teelt van plastic gemaakt van fossiele brandstoffen. Bijvoorbeeld, Schniepp stelt zich een waterfles voor die gemaakt is van een eiwit.

"Dus je drinkt het water, "zegt hij. "En als je dan klaar bent, je kunt de fles eten en je dagelijkse dosis eiwit krijgen. Of je kunt het gewoon naar buiten gooien en er komt een dier langs om het op te eten."

Het aanbreken van het tijdperk van dergelijke nuttige synthetische stoffen is aangebroken, aldus Schniepp. Hij noemde een startend bedrijf in Californië dat merkkleding maakt - "duur, met een zeer hoog prijskaartje"-van een synthetische zijde.

Het doel van het Schniepp-lab is om meer inzicht te krijgen in de natuurlijke zijde en hoe ze worden geproduceerd, zodat synthetische versies kunnen worden opgeschaald voor massaproductie buiten de boetiekmarkten.

"Je begint met het maken van kleine bedragen, " hij zei, "en ze zullen natuurlijk duur zijn. Maar naarmate je meer leert, je leert optimaliseren en het wordt steeds goedkoper."

Het Schniepp-lab bestudeert al vijf jaar bruine kluizenaarsspinzijde en heeft een belangrijke bijdrage geleverd aan het ontrafelen van de geheimen van de spin. Hun werk heeft de weg vrijgemaakt voor een beter begrip van de zijde van de bruine kluizenaar.

"Voordat, mensen hadden allerlei complexe modellen van hoe de zijdevezel eruit ziet en wat een zijdevezel zo sterk maakt. Maar het was altijd erg moeilijk om dit direct te bevestigen, " zei hij. "Experimenteel bewijs was echt schaars."

Maar de kluizenaar maakt een zijde die een andere vorm heeft dan andere spinnen, een feit dat Schniepp's lab kon gebruiken om een ​​nieuwe manier te vinden om in de structuur van de zijdestreng te kijken. "En wat we hebben geleerd is dat dit lint volledig bestaat uit nanofibrillen, " legde hij uit - strengen die 3 zijn, 000 keer dunner in diameter dan een mensenhaar.

Ze meldden ook dat de zijde bestaat uit individuele nanofibrillen die parallel zijn gelegd - niet gedraaid als strengen van een touw. Een andere bevinding is dat de bruine kluizenaar bijdraagt ​​aan de sterkte van de zijde door kleine lusjes in elke streng te draaien.

Met de nieuwe NSF-financiering kan het laboratorium hun onderzoek naar de aard van nanofibrillen voortzetten, met behulp van geavanceerde microscopie en spectroscopie. Het doel is om het begrip van de zijde, van het moleculaire niveau tot de lengte van de gehele zijdevezel.

Leden van het Schniepp-lab zijn zowel studenten als Ph.D. studenten van William &Mary. Schniepp zegt dat hij doorgaat met outreach-programma's voor K-12 STEM-studenten.

"We hebben middelbare scholieren in ons lab gehad. We bieden zomerstages aan middelbare scholieren; ik had meerdere studenten die een eenjarige senior onderzoeksstage deden van de Governor's School of Science and Technology in Hampton, "Zei Schniepp. "We kunnen mensen op alle niveaus echt bereiken en hen enthousiast maken voor dit onderzoek en misschien sommigen van hen beïnvloeden om een ​​carrière in STEM te kiezen en deze nieuwe technologieën vooruit te helpen."