Veel wetenschappers willen graag inzicht krijgen in het buitengewone vermogen van spinnen om zijden draden te spinnen die extreem sterk, zwaar en flexibel zijn. In feite is spinnenzijde sterker dan staal en taaier dan Kevlar. Niemand heeft het werk van de spin echter nog kunnen repliceren.
Als we synthetische materialen met deze eigenschappen zouden kunnen ontwikkelen, zou er een hele nieuwe wereld mogelijk zijn: kunstmatige spinnenzijde zou materialen als kevlar, polyester en koolstofvezel in de industrie kunnen vervangen, bijvoorbeeld bij het maken van lichtgewicht, flexibele kogelvrije vesten.
Irina Iachina, postdoctoraal onderzoeker en biofysicus bij de afdeling Biochemie en Moleculaire Biologie van de Universiteit van Zuid-Denemarken (SDU), is betrokken bij de race om de formule voor superspinnenzijde te vinden. Ze raakte gefascineerd door spinnenzijde tijdens haar masteropleiding aan de Universiteit van Zuid-Denemarken, en doet momenteel onderzoek naar het onderwerp aan het MIT in Boston met steun van de Villum Foundation.
Als onderdeel van haar onderzoek werkt ze samen met biofysicus Jonathan Brewer, universitair hoofddocent aan de Universiteit van Zuid-Denemarken, die een expert is in het gebruik van verschillende microscopen om in biologische structuren te kijken.
Nu hebben ze voor het eerst samen lichtmicroscopie gebruikt om de interne structuur van spinnenzijde te bestuderen zonder deze op enigerlei wijze te hoeven knippen of openen. De bevindingen zijn nu gepubliceerd in de tijdschriften Scientific Reports en Scan.
"We hebben verschillende geavanceerde microscopietechnieken gebruikt en ook een nieuwe optische microscoop ontwikkeld waarmee we helemaal in de vezels kunnen kijken", legt Jonathan Brewer uit.
Tot nu toe is spinnenzijde geanalyseerd met behulp van verschillende technieken, die allemaal nieuwe inzichten hebben opgeleverd. Zoals Jonathan Brewer opmerkt, hebben deze technieken echter ook nadelen, omdat ze vaak het snijden van de draden (ook wel vezels genoemd) in secties vereisen om dwarsdoorsneden voor microscopie te verkrijgen, of het invriezen van de monsters, wat de structuur van de zijdevezels kan veranderen.
"We wilden pure vezels bestuderen die niet waren gesneden, bevroren of anderszins gemanipuleerd", zegt Irina Iachina. Om dit te doen, gebruikte het team minder invasieve technieken zoals coherente anti-Stokes Raman-verstrooiing, confocale microscopie, confocale gereflecteerde fluorescentie-depletiemicroscopie met superresolutie, scanning-heliumionenmicroscopie en heliumionensputteren.
Verschillende onderzoeken hebben aangetoond dat spinnenzijdevezels zijn samengesteld uit ten minste twee buitenste lagen lipiden of vetten. Daarachter, dat wil zeggen binnen de vezels, bevinden zich veel zogenaamde filamenten, die in rechte lijnen en dicht naast elkaar zijn gerangschikt (zie afbeelding). De diameter van de vezels ligt tussen 100 en 150, wat onder de meetlimiet van gewone optische microscopen ligt.
"Ze zijn niet zo gedraaid als mensen dachten, dus we weten nu dat het niet nodig is om ze te draaien als je synthetische spinnenzijde probeert te maken," zei Iachina.
De spinnenzijdevezels die door Ichina en Brewer worden gebruikt, zijn afkomstig van de Madagaskar-goudspin (Nephila Madagascariensis). Deze spin produceert twee verschillende soorten spinnenzijde: de ene heet MAS (Major Ampullate Silkfibers), die wordt gebruikt om spinnenwebben te bouwen en tevens de zijde is die spinnen gebruiken om op te hangen, wat kan worden beschouwd als de levensader van spinnen; het is zeer sterk en heeft een diameter van ongeveer 10 micron.
De andere heet MiS (Minor Ampullate Silk fiber), een hulpmateriaal voor de constructie. Het is elastischer en heeft doorgaans een diameter van 5 micron. Volgens de analyse van het paar bevat MAS-zijde vezels met een diameter van ongeveer 145 nanometer. De diameter van MiS is ongeveer 116 nanometer. Elke vezel is gemaakt van eiwitten en er zijn veel verschillende eiwitten bij betrokken. Deze eiwitten worden door spinnen geproduceerd wanneer ze zijdevezels maken.
Het is belangrijk om te begrijpen hoe ze zulke sterke vezels creëren, maar het maken ervan is ook een uitdaging. Daarom vertrouwen onderzoekers in het veld vaak op spinnen om zijde voor hen te produceren.
Als alternatief kunnen ze zich wenden tot computationele methoden, wat Irina-Ichna momenteel doet bij MIT: "Op dit moment doe ik computersimulaties van hoe eiwitten worden omgezet in zijde. Het doel is natuurlijk om te leren hoe je kunstmatige spinnenzijde kunt produceren, maar ik ben ook geïnteresseerd in het helpen van mensen om de wereld om ons heen beter te begrijpen."