Nu kan vi spinna konstgjord spindeltråd

Resultaten publicerades idag i tidskriften Nature Chemical Biology.

Spindeltråd är ett mycket eftertraktat material – det tolereras väl i kroppen, är lätt men starkare än stål, och dessutom biologiskt nedbrytbart. Spindlar är svåra att ha i fångenskap och spinner små mängder tråd, så för att kunna producera spindelsilke i stor skala måste man tillverka tråden på konstgjord väg. Det mest attraktiva sättet att tillverka trådar som liknar riktig spindeltråd är att utnyttja en naturhärmande spinningsprocess. Detta har dock inte varit möjligt fram tills nu, då det har varit svårt att få bakterier och andra produktionssystem att tillverka vattenlösliga spindeltrådsproteiner, och man har istället tvingats använda starka och miljöfarliga lösningsmedel för att kunna spinna proteinerna till en tråd.

Detaljstudier av spinnkörtlar lade grunden
Spindeltråd är gjort av proteiner som förvaras i en vattenlösning i körtlar i spindelns bakkropp, innan de spinns till en tråd. Forskarlaget (Anna Rising, Jan Johansson och Marlene Andersson) har tidigare visat att det finns en väldigt brant pH-gradient i spindeltrådskörteln och att det är tio gånger surare där tråden bildas än man tidigare trott. Vidare upptäckte man att enzymet karbanhydras – som omvandlar bikarbonat till koldioxid – finns i stora mängder i spinnkörtelns vägg och är nödvändigt för att pH-gradienten ska upprätthållas.

Dessa båda upptäckter visade hur spindlarna använder pH-förändring och koldioxid för att påverka spindeltrådsproteinerna inom ett väl avgränsat område i körteln, och detta förklarar hur tråden kan bildas väldigt snabbt och på ett bestämt ställe i körtelns utförsgång.

Konstgjort protein kan tillverkas storskaligt
– Den här kunskapen använde vi för att designa ett konstgjort spindeltrådsprotein som kan produceras i stora mängder i bakterier, säger Anna Rising, forskningsledare vid SLU och KI. I och med det kan produktionen bli industriellt intressant och uppskalningsbar.

Till forskarnas förvåning var detta konstgjorda protein minst lika vattenlösligt som de naturliga spindeltrådsproteinerna, vilket gör att proteinerna kan hållas lösliga vid enormt hög koncentration.

Naturhärmande spinningsapparat
För att efterlikna spindelstrådskörteln konstruerade forskarna en enkel men mycket effektiv och naturhärmande (biomimetisk) spinningsanordning, i vilken de kan spinna kilometerlånga trådar genom att endast sänka pH.

– Detta är det första lyckade försöket att spinna spindeltråd i en process som efterliknar den som spindeln använder sig av, säger Anna Rising. Med vår nya kunskap tror vi att det i framtiden kommer att bli möjligt att tillverka konstgjord spindeltråd i industriell skala för användning som exempelvis biomaterial eller för tillverkning av avancerade textilier.

Bland författarna finns även forskare från Donghua University (Kina), Universidad Politécnica de Madrid, University of Oxford, KTH, Uppsala universitet och Lunds universitet.

Mer information

Anna Rising, universitetslektor vid inst. för anatomi, fysiologi och biokemi, SLU
018-67 21 14, 070-974 48 88
och forskare vid inst. för neurobiologi vårdvetenskap och samhälle, Karolinska institutet
08 585 853 78, 070-974 48 88, anna.rising@ki.se

Jan Johansson, professor vid inst. för neurobiologi vårdvetenskap och samhälle, Karolinska institutet
08 585 853 78, 070 345 704 8, janne.johansson@ki.se

Mer om Anna Risings och Jan Johanssons forskning:

http://ki.se/en/people/annris
https://internt.slu.se/cv-originalen/anna-rising/
http://ki.se/en/nvs/portrait-of-professor-janne-johansson

Den vetenskapliga artikeln
Marlene Andersson, Qiupin Jia, Ana Abella, Xiau-Yeen Lee, Michael Landreh, Pasi Purhonen, Hans Hebert, Maria Tenje, Carol V Robinson, Qing Meng, Gustavo R Plaza, Jan Johansson & Anna Rising. Biomimetic spinning of artificial spider silk from a chimeric minispidroin. Nature Chemical Biology, http://dx.doi.org/10.1038/nchembio.2269

Pressbilder

(Får publiceras fritt i anslutning till artiklar om detta pressmeddelande. Källa ska anges.)

Bild 1. Naturhärmande (biomimetisk) spinning av konstgjord spindeltråd.

a) Högkoncentrerad proteinlösning pumpas via en spruta och en plastslang genom en spetsig glaskapillär med en spets som endast är 10–30 mikrometer i diameter. Spetsen är nedsänkt i en vattenlösning där pH är surt (pH 5). När proteinstrålen sprutas ut i
vattenlösningen bildas fibern. Fibrerna kan fångas upp från vattenlösningen och
rullas upp på ramar. Foto: Marlene Andersson, SLU/Nature Chemical Biology

b) Foto av en fiber när den spinns i vattenbadet. Foto: Marlene Andersson, SLU/Nature Chemical Biology

c) Fiberboll. Foto: Lena Holm, SLU/Nature Chemical Biology

d) Upprullade fibrer på en ram. Foto: Marlene Andersson, SLU/Nature Chemical Biology

Fiberdiametern är i (b–c) ungefär 40 mikrometer, i (d) 15 mikrometer. Skalstrecket är (a) 3 cm, (b) 3 mm, och (c-d) 5 mm långt.

Bild 2. Anna Rising och Jan Johansson. Foto: Kerstin Nordling

Filmer

Film 1. Konstgjord spindeltråd som bildas när en proteinlösning sprutas ut i en buffrad vattenlösning. Publicerad av: Anna Rising & Jan Johansson (Sveriges lantbruksuniversitet & Karolinska Institutet). Källa: Andersson et.al., Biomimetic spinning of artificial spider silk from a chimeric minispidroin, Nature Chemical Biology, http://dx.doi.org/10.1038/nchembio.2269.

Film 2. Konstgjord spindeltråd rullas upp på en roterande ram i luften. Publicerad av: Anna Rising & Jan Johansson (Sveriges lantbruksuniversitet & Karolinska Institutet). Källa: Andersson et.al., Biomimetic spinning of artificial spider silk from a chimeric minispidroin, Nature Chemical Biology, http://dx.doi.org/10.1038/nchembio.2269.

Relaterade artiklar

Rising A,Johansson J. Toward spinning artificial spider silk. Nat Chem Biol. 2015. May; 11(15):309-15.

Andersson M, Chen G, Otikovs M, Landreh M, Nordling K, Kronqvist N, Westermark P, Jörnvall H, Knight S, Ridderstråle Y, Holm L, Meng Q, Jaudzems K, Chesler M, Johansson J, Rising A. Carbonic Anhydrase Generates CO2 and H+ That Drive Spider Silk Formation Via Opposite Effects on the Terminal Domains. PLoS Biol. 2014 Aug 5;12(8):e1001921

Kronqvist, N., Otikovs, M., Chmyrov, V., Chen, G., Andersson M., Nordling, K., Landreh, M., Sarr, M., Jörnvall, H, Wennmalm, S., Widengren, J., Meng, Q., Rising, A., Otzen, D., Knight, S. D., Jaudzems, K., Johansson, J. Sequential pH-driven dimerization and stabilization of the N-terminal domain enables rapid spider silk formation Nat Comm. 2014. 10(5):3254.

Wu S, Johansson J, Hovatta O, Rising, A. Efficient passage of human pluripotent stem cells on spider silk matrices under xeno-free conditions. Cell Mol Life Sci. 2015. Oct 1. doi:10.​1007/​s00018-015-2053-5.