Spinnen als een spin

dossierhoofdstuk

Hoofdstukken

Spinrag is veel sterker dan staal, en nog rekbaar ook. Vandaar dat twee Britse onderzoekers spinrag proberen na te maken. Ze ontwikkelden daarvoor een apparaatje gebaseerd op het achterlijf van de spin. [Uitzending 5 augustus 2004, de video is online te bekijken]

Spiderman schudt ze zo uit z’n mouw, maar spinnendraad maken is zo makkelijk nog niet. Spinrag is een van de sterkste materialen ter wereld. Het is sterker dan staal, en stukken degelijker dan de kunstmatige vezels die we zelf produceren. Ook is spinrag erg elastisch, waardoor het niet gauw breekt. Dankzij die bijzondere eigenschappen kun je er bijvoorbeeld kogelvrije vesten van maken, of hechtdraad, en vislijnen voor de veeleisende hengelaar. Vooruitziende wetenschappers kunnen genoeg toepassingen bedenken, maar spinnen als een spin is lang zo eenvoudig niet als dagdromen.

Talloze onderzoekers willen de chemische bouwstenen van spinrag uitpluizen. De kracht van het spinrag zit hem echter niet in de grondstoffen, denkt de Britse scheikundige David Knight. Veel belangrijker is volgens hem de manier waarop een spin zijn draden spint. Knight probeert te ontdekken wat er zich precies afspeelt in het achterlijfje van de spin. Een handjevol zijdeklieren produceert daar elke draad die de spin maar wil, van veiligheidskoord tot vernuftig spinnenweb. Een raadselachtig proces is het, waarbij waterige eiwitten worden omgetoverd tot een solide draad.

Knight zag er wel brood in, en heeft samen met zijn collega Fritz Vollrath het bedrijfje Spinox opgezet om zelf spinnenzijde te maken. Beide hoogleraren proberen een soort namaak-spin te ontwikkelen: een klein apparaatje waarin dezelfde omstandigheden heersen als in een echte spin. De zijde die dit oplevert, willen ze op de markt brengen.

Tot die tijd moeten we het doen met vezels als nylon, viscose en kevlar. Dit soort robuuste vezels kunnen we zonder problemen zelf maken, maar dat lukt alleen met brute industriële hulpmiddelen zoals hoge luchtdruk, enorme hitte en dampende zuren. Een nogal milieuvervuilende manier dus, die ook nog eens veel schadelijke afvalstoffen voortbrengt. Een spin gaat heel wat milieuvriendelijker te werk, aldus Knight.

Spinox

Spinnenlijfje nagebootst

Wetenschappers over de hele wereld zoeken naar de chemische toverformule van spinrag. Knight en Vollrath denken echter dat daar de sleutel niet ligt. Volgens hen heeft de sterkte van een spinnendraad vooral te maken met de manier waarop de spin zijn draden maakt.

In het laboratorium van Spinox worden spinnen als het ware gemolken. Met een automatische spoel trekken David Knight en zijn compagnon Fritz Vollrath draden uit het achterlijf van spinnen. Gouden wielwebspinnen zijn het. De dieren staan bekend om hun sterke draden, en hun hoge productie. Ze zitten opgesloten in kleine schaaltjes, maar ze schijnen het wel best te vinden dat de onderzoekers draden uit hun achterlijf trekken.

Maar grote aantallen spinnen houden blijkt onbegonnen werk. De dieren zijn niet erg sociaal, en vallen elkaar aan of eten elkaar op. Daarnaast heb je voor een klein lapje spinrag al snel honderden dieren nodig.

Knight en Vollrath proberen dan ook zelf spinrag te maken. Het lukt alleen nog niet zo goed om de spinnen na te bootsen, want écht spinnendraad hebben ze nog steeds niet kunnen maken. Op grote schaal spinrag produceren, zoals de onderzoekers voor ogen hebben, is er dan ook nog lang niet bij.

Onder de hoede van zijn werkgever, de universiteit van Oxford, ontwikkelt Knight een uitvergrootte versie van het orgaan waarmee een spin spint, de spinneret. De kern van het apparaatje is een kleine gleuf, die net zo groot is als de klieren waarmee een spin zijn draden produceert. Daarop zijn enkele buisjes aangesloten die de grondstoffen voor het spinrag aanleveren. In het apparaatje heersen dezelfde omstandigheden als in een echte spin, en worden dezelfde grondstoffen gemengd die de spin ook gebruikt. Maar hoe het allemaal precies werkt, blijft natuurlijk bedrijfsgeheim.

In de toekomst moet het apparaatje een vaste draad maken, uit eiwitten die in water zijn opgelost. Dat lukt Knight nu al min of meer, maar de draden zijn nog erg breekbaar. Zeker vergeleken met natuurlijk spinrag. “Dat is zoveel steviger dan de synthetische vezels die we nu kennen,” legt de Brit uit. Spinrag is twintig keer sterker dan staal. Zelfs kevlar, de krachtpatser onder de kunstmatige vezels, is minder robuust dan spinrag.

Spinrag namaken is misschien wel te moeilijk. Maar Knight neemt ook met minder genoegen. Een draad die ‘maar’ een kwart zo sterk is, zou volgens hem ook al mooi zijn. Zelfs dan zijn er nog ontzettend veel medische toepassingen voor te bedenken. Volgens Knight is geweven spinrag bijvoorbeeld te gebruiken als afbreekbaar verbandgaas, of als kunstmatige botkussentjes die herniapatiënten weer op de been kunnen helpen. Omdat spinrag biologisch afbreekbaar is, zijn er nog tal van andere toepassingen voor te verzinnen. Je zou het ook kunnen gebruiken om kunstmest in te verpakken, dat dan langzaam vrijkomt, fantaseert Knight er op los.

De spinneret

Het orgaan dat spinrag aanlevert heet de spinneret. Van de chemische processen die zich hier allemaal afspelen, kunnen scheikundigen alleen maar watertanden.

Al eeuwenlang proberen mensen spinrag te kweken voor eigen gebruik. Een groot succes is dat nooit geworden. De oudste toepassingen van spinrag zijn terug te vinden bij de oude Grieken. Nog voor onze jaartelling gebruikten zij spinrag als wondpleister. Niet veel later maakten Australische aboriginals vislijnen van het spinnenproduct.

Het chemische fabriekje van de spin bevindt zich in zijn achterlijf. Daar ligt een keur aan verschillende zijdeklieren, waardoor een spin een heel assortiment van spinrag kan produceren.In de zijdeklieren worden zijde-eiwitten opgelost in een zeer geconcentreerde oplossing, die voor de helft uit water bestaat, en voor de andere helft uit eiwitten. Vanuit de zijdeklieren worden de eiwitten door een kanaaltje geperst. Een speciaal orgaan dat ‘spinneret’ heet, trekt ze uit het kanaaltje, waarna ze verharden tot zijdevezels.

Van de buitenkant ziet spinrag er niet zo bijzonder uit. Onder de microscoop gezien lijkt het alleen maar uit gladde vezels te bestaan. Maar als je de vezels stuk voor stuk afpelt zie je wat spinrag zo uniek maakt. Binnenin is een heel scala aan minivezels te vinden, die enorm verschillen wat betreft grootte en ligging. Ze zijn in verschillende opeengepakte laagjes gerangschikt. Vergeleken met deze complexiteit zijn onze synthetische vezels maar primitieve snoertjes.

De minivezels zijn op hun beurt nóg complexer opgebouwd. Het lijkt allemaal een ongeordende chaos, maar toch is er, op moleculaire schaal, een patroon in te ontdekken. De eiwitten die de vezels vormen, liggen zij-aan-zij, net als de boomstammen van een vlot. De laagjes zijn als een harmonica gevouwen en lijken daardoor een beetje op het tussenstuk van een accordeon. Een stevige opeenstapeling van die accordeon-laagjes geeft spinrag zijn stevigheid, denken onderzoekers. De grootte van die laagjes, en daarmee de stevigheid van de draad, hangt af van de snelheid waarmee de spint zijn draad spint.

Naast stevig is spinrag ook erg elastisch. Dat is te danken aan een tweede manier van rangschikken, waarbij de accordeon-laagjes in de vorm van een wenteltrap worden gezet. Die wenteltrap werkt als een soort spiraalveer, en geeft spinrag naast veerkracht ook nog wat extra stevigheid.

Het spinproces zelf is weliswaar moeilijk na te bootsen, zijde-eiwitten namaken is best mogelijk gebleken, zij het met matig succes. Sommige onderzoekers proberen spinrag te maken door middel van genetische manipulatie. Zo zijn er bacteriën en gisten gemaakt die extra DNA van spinnen bevatten, waardoor ze zijde-eiwitten produceren. Maar de eiwitten die hieruit voortkwamen waren vaak onhandelbaar en niet sterk genoeg om draden van te maken.

Met dierlijke lichaamscellen gaat het vast iets beter, denken veel spinragmakers. Zo worden gekweekte lichaamscellen van hamsters en koeien als zijdefabriekjes gebruikt. En een Canadees bedrijf zet genetisch gemanipuleerde geiten in om zijde-eiwitten in hun melk te produceren. Of deze biologische trucjes voldoende zijn om perfect imitatie-spinrag te maken, zal de komende jaren moeten blijken.

Biosteel

Transgene geiten maken spinrag

Een Canadees bedrijf creëerde geiten waaraan het DNA van een spin was toegevoegd. De geiten produceerden in hun melk de eiwitten waarvan spinrag is gemaakt..

Laat de natuur maar het werk doen, dachten ze bij het Canadese biotechbedrijf Nexia. Ook daar wil men het felbegeerde spinrag fabriceren, maar dan wel op een ongewone manier. Ze maakten transgene geiten die, met extra DNA van een spin, de grondstof voor spinrag produceren.

Het bedrijf isoleerde het gen dat zijde-eiwitten aanmaakt in spinnen, en plaatste dat over in twee geiten. De nakomelingen van deze geiten maken dezelfde eiwitten aan, maar dan in hun melk. In elke liter geitenmelk is ongeveer 10 gram zijde-eiwit te vinden. De eiwitten worden uit de melk gezuiverd en gesponnen tot een stevige draad die niet meer oplosbaar is in water.

Om de eiwitproductie aan geiten over te laten, is helemaal niet zo gek bedacht. De dieren zijn redelijk eenvoudig te houden, en beginnen sneller melk te produceren dan bijvoorbeeld koeien. Hierdoor zijn grote hoeveelheden eiwit te winnen. Gekweekte bacteriën of gisten kunnen daar niet tegenop. Intussen heeft Nexia een hele kudde transgene geiten gecreëerd, maar de grootschalige productie van geiten-spinrag laat nog even op zich wachten. De Canadezen willen eerst nog wat testen met gekweekte dierencellen, voordat ze zich volledig richten op de geitenmelk.

Twee jaar geleden publiceerde Nexia in het tijdschrift Science de primeur van het eerste kunstmatige spinrag, gemaakt door transgene hamster- en koeiencellen. Hoewel, echt spinrag mocht het eigenlijk niet heten. De vezels hadden veel gemeen met spinrag, zoals taaiheid en dikte, maar waren toch minder sterk. Het lijkt er dus op dat de Canadezen genoeg zijde-eiwitten kunnen maken, maar het spinproces nog niet onder de knie hebben.

Niettemin heeft het kunstmatige spinrag alvast een veelbelovende naam gekregen: Biosteel. Volgens Nexia zelf is Biosteel milieuvriendelijk omdat het biologisch afbreekbaar is.

De geiten van Nexia doen denken aan de Nederlandse stier Herman, waarvan de dochters het menselijke eiwit lactoferrine produceerden in hun melk. Dat werd, zoals bekend, geen succesverhaal, en intussen zijn alle nakomelingen van Herman afgemaakt.

Hoofdstukken