Hoe spinnen ‘zijde-dope’ spinnen tot het sterkste materiaal van de natuur

Door de moleculaire structuur te onderzoeken, ontdekken biologen hoe een kluwen van ongestructureerde eiwitten verandert in een sterke, flexibele vezel.

Wanneer een spin van een muur valt, duurt het niet lang. Binnen enkele milliseconden spint hij een soep van eiwitten tot stevige klimuitrusting. Met behulp van een dunne, glinsterende draad zijde trekt de spin zich weer omhoog.

De draad is sterker dan Kevlar, de synthetische vezel in fietsbanden en kogelwerende vesten, en sterker dan staal. Het is flexibel en biocompatibel met het menselijk lichaam. Wetenschappers dromen ervan om spinnenzijde om te zetten in hoogwaardige materialen voor veiligheidsgordels, helmen, marine-materialen en zelfs steigers om te helpen hersencellen te herstellen. Maar pogingen om spinnenzijde in het laboratorium te maken zijn mislukt omdat onderzoekers niet genoeg weten over hoe een spin "zijde-dope" — een vloeibaar mengsel van eiwitten, water en zout — vanuit zijn zijdeklieren omzet in een opmerkelijke vaste stof.

Het in kaart brengen van de moleculaire mechanismen achter dit proces is "echt de heilige graal" voor het vakgebied, aldus Gregory Holland, chemicus en spectroscopist aan de San Diego State University. Onlangs leidde hij onderzoek dat beschreef hoe de moleculen in vloeibare zijde-dope zich reorganiseren tot halfvloeibare druppeltjes, genaamd condensaten, voordat ze veranderen in een vaste zijdevezel. Het resultaat is een blik op atomair niveau in de zijdefabriek van de spin.

De bevindingen zijn ook een praktische gids voor de vorming van condensaten, die de natuur herhaaldelijk heeft gebruikt om moleculen te organiseren voor genetische processen en voor de creatie van indrukwekkend sterke biologische materialen.

"Het wordt duidelijk dat [condensaten] een veelvoorkomende strategie zijn die door een reeks verschillende organismen wordt gebruikt," zei Matthew Harrington, een biologisch materiaalkundige aan McGill University die niet betrokken was bij de studie. Door te ontrafelen hoe de natuur condensaten gebruikt, hopen wetenschappers enkele van haar meest robuuste materialen na te bootsen.

De Zijdefabriek

Spinnen zijn ongelooflijke natuurlijke fabrieken. Ze kunnen tot zeven soorten zijde spinnen, en dezelfde spin kan er vaak verschillende produceren:

• Aciniforme zijde: gebruikt om insecten in te pakken voor later gebruik.
• Rubberachtige flagelliforme zijde: versterkt de vangspiraal om schokken te absorberen.
• Dragline-zijde: verankert webben en spinnen aan muren.

Elk type zijde heeft verschillende eigenschappen, afhankelijk van de soort en de manier waarop de moleculen zijn geassembleerd. Zijdes van hetzelfde type kunnen per soort ook weer enigszins verschillen.

In 1907 ontdekten wetenschappers dat spinnenzijde is gemaakt van lange, modulaire eiwitten, later spidroïnen genoemd, die tot dezelfde groep vezeleiwitten behoren als collageen en keratine. Meer dan een halve eeuw later begonnen röntgenstralen de onderliggende structuur van de vezel te onthullen. De zijde bestaat uit platte vellen eiwit, bekend als bèta-sheets, die zijn ingebed in een minder geordende, niet-kristallijne matrix.

In het begin van de jaren 2000 zagen onderzoekers, bij inspectie van de spidroïnen in oplossing, geen georganiseerde, vaste structuren zoals die bij de meeste eiwitten worden gezien. In plaats daarvan vertoonden de spidroïnen intrinsiek ongeordende regio's die heen en weer bewogen en verschillende vormen vormden en hervormden. Onderzoekers begonnen vervolgens te ontrafelen hoe deze soep van ongestructureerde eiwitten zich kon organiseren in sterke, vaste vezels.

Een vroege theorie suggereerde dat eiwitten in de dope zich ten opzichte van elkaar beginnen uit te lijnen, zoals in een kristal, terwijl ze dynamisch blijven in een overgangstoestand die bekend staat als "vloeibaar kristal". Een andere theorie stelde dat spinnenzijde lijkt op zijde van de zijderups, waarbij eiwitten zijn georganiseerd in micellen (kleine sferen) die vervolgens worden samengeperst tot zijdevezel.

In 2007 merkten onderzoekers op dat in het laboratorium geproduceerde spidroïnen vloeistofachtige klompen vormden. Kort daarna zouden dit soort structuren onontkombaar worden in de moderne biologie. In 2009 ontdekten wetenschappers aan het Marine Biological Laboratory in Massachusetts en het Max Planck Institute in Duitsland druppeltjes van geaggregeerde RNA-moleculen in bevruchte wormeneieren. Dit waren condensaten: vloeistof- of gelachtige bellen van geconcentreerde eiwitten gesuspendeerd in een oplossing. Hoewel ze al meer dan een eeuw werden waargenomen, werden condensaten nu gezien als een cruciaal organisatorisch instrument voor moleculaire processen in alle levensvormen.

De onderzoekers realiseerden zich dat condensaten moleculen concentreren en ze vooraf organiseren in een flexibele micro-omgeving zonder ze vast te zetten zoals in een vaste stof. "Omdat ze vloeibaar zijn, zijn ze kneedbaar," zei Harrington, "dus kan de biologie ze vormen tot wat je maar wilt."

Meer onderzoek toonde aan dat levende cellen condensaten overal gebruiken: om DNA te organiseren, genexpressie te reguleren en eiwitten te verpakken. Op macroschaal helpen ze soorten om interessante materialen te bouwen. Ze helpen bij het vormen van inktvisbekken met een gradiënt van stijve delen. Ze vormen sterke lijmen waarmee mosselen zich aan rotsen kunnen hechten, en mariem cement dat zandkasteelwormen gebruiken om beschermende buizen te bouwen.

"Het is een actueel gebied in de biologie," zei Holland.

Hoewel onderzoekers meer dan een decennium geleden condensate-achtige klompen hadden beschreven in lab-gemaakte spidroïnen, werden ze pas in 2020 als zodanig beschouwd. Destijds suggereerde Keiji Numata, een biomaterialenchemicus aan de Kyoto University, dat spinnenzijde een condensatefase doorloopt tijdens de overgang van vloeibare dope naar vaste draad.

Condensaten vormen zich door "vloeistof-vloeistof-fasescheiding", een proces waarbij moleculen in een vloeistof zwak met elkaar kunnen gaan interageren, waardoor ze gemakkelijk bindingen vormen en verbreken als gevolg van een stimulus, zoals een verandering in pH, chemicaliën of temperatuur. Numata stelde voor dat fosfaat in de ampulla (het middelste gedeelte van de zijdeklieren van een spin) deze interacties zou kunnen initiëren. Maar niemand had de atomaire mechanismen beschreven die hun vorming aansturen, totdat Hannah Johnson, destijds promovendus in het lab van Holland, besloot dit te onderzoeken.

In het lichaam van een Zwarte Weduwe

In 2023 en 2024 arriveerde er elke paar maanden een pakket vrouwelijke zwarte weduwen bij de afdeling scheikunde van de San Diego State University. Deze gitzwarte spinnen met een rode accenten produceren een krachtig gif dat pijnlijk kan zijn voor mensen. Op dat kleine ongemak na, zijn ze uitstekende proefpersonen voor het bestuderen van spinnenzijde. Hun dragline-zijde spidroïne-eiwitten behoren tot de best gekarakteriseerde van alle spinnen. Bovendien zijn ze het hele jaar door beschikbaar, in tegenstelling tot sommige spinnen die alleen seizoensgebonden webben spinnen.

Zes keer in een periode van twee weken trok Johnson twee paar beschermende handschoenen aan. In een uur tijd "molken" zij en verschillende studenten de zwarte weduwen, die waren buiten bewustzijn gebracht door koolstofdioxide. Met pincetten trokken de wetenschappers voorzichtig de zijdedraad uit de spinnerets — de abdominale spigots waar de vezels uitkomen — en spoelden ze deze op door de draad te winden rond een flacon met een draaimotor.

"De spinnen die veel zijde geven zijn onze favorieten," zei Johnson, "maar ik heb een zwak voor de rebellen die niet willen meewerken." Tijdens dit proces voedden de onderzoekers de zwarte weduwen met een cocktail van aminozuren (vergelijkbaar met "proteïneshakes"), verrijkt met specifieke isotopen die in het laboratorium gedetecteerd konden worden.

Nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie kan de structuur van een molecuul in kaart brengen. Het zendt radiofrequenties uit om de kernen in atomen te verstoren, die vervolgens bewegen op een manier die kenmerkend is voor het type atoom. Johnson gebruikte NMR op de vloeibare zijde-dope, alsovwel op condensaten verzameld uit de ampullae van de spinnen. Ondertussen bracht Kevin Chalek, destijds postdoctoraal onderzoeker in het lab van Holland (nu onderzoeker aan de University of California, Los Angeles), de atomaire structuur van de eiwitten in de vaste vezel in kaart.

"We probeerden de kloof te overbruggen tussen wat er gebeurt wanneer het eiwit in de spin zit en wanneer het buiten de spin is," zei Chalek. "Dit zijn dezelfde eiwitten, dus hoe kunnen ze zo verschillend zijn? En wat gebeurt er precies daartussenin?"

Johnson observeerde dat nadat ze fosfaat toevoegde aan de vloeibare zijde-dope om het condensatieproces te starten, zijgroepen op twee aminozuren (arginine en tyrosine) in de intrinsiek ongeordende regio's van de spidroïne-eiwitten zwak met elkaar begonnen te interageren. Deze interactie verdreef water, waardoor de ongeordende eiwitten werden georganiseerd in een dichter, gelachtig materiaal: een condensate. De interactie hield aan in de vaste vezel, wat suggereert dat de aminozuren dienen als "moleculaire stickers" die de ongeordende eiwitten naar condensaten en uiteindelijk naar vezels leiden.

Andere teamleden gebruikten AlphaFold, een AI-tool die eiwitstructuren modelleert, en software voor moleculaire dynamica om dit proces computationeel te voorspellen. Onderzoekers weten dat de sterkte van spinnenzijde voortkomt uit de stevige bèta-sheet eiwitstructuren in de uiteindelijke vezel. De simulaties van het team toonden aan dat deze aminozuren precies op de buigingen in de bèta-sheets liggen, wat suggereert dat ze helpen de spidroïnen naar hun uiteindelijke structuur te leiden.

"Begrijpen hoe die zijgroepen interageren en hoe ze een structuur kunnen ontwikkelen die groter is dan de som der delen... is fantastisch," zei Chris Holland, een bioloog aan de University of Sheffield die niet betrokken was bij de studie. En ze gebruikten echte spinnen in plaats van synthetische zijde, "wat briljant is."

Hun bevindingen zijn "direct bewijs" dat condensaten kunnen worden gevormd uit natuurlijke zijde, wat "zeer significant" is, aldus Daiwen Yang, een bioloog aan de National University of Singapore.

Hun beschrijving van condensaten sluit eerdere theorieën over de vorming van spinnenzijde niet uit. Gregory Holland, die eerder de aanwezigheid van micellen in natuurlijke spinnenzijde had aangetoond, suggereerde dat alle drie — micellen, condensaten en vloeibare kristallen — stadia van dezelfde faseovergang kunnen zijn. Micellen die zich vormen in de vloeibare dope voorkomen dat de ongeordende eiwitten samenklonteren en in de knoop raken. De eiwitten kunnen zich ook vooraf assembleren in condensaten, of zich uitlijnen in structuren zoals vloeibare kristallen voordat ze via de spinnerets als zeer geordende vezels worden afgegeven. Maar het eigenlijke proces is waarschijnlijk "dynamischer en heterogener" dan sequentieel, aldus Gregory Holland, waarbij verschillende van deze structuren tegelijkertijd in het mengsel ontstaan.

Harrington stemde hiermee in. "Ik denk niet dat deze elkaar uitsluiten," zei hij. "Je kunt verschillende soorten faseovergangen hebben die plaatsvinden in verschillende stadia van de verwerking."

Toch is er meer te begrijpen over hoe deze interacties zich opvoegen in deze productielijn. Er zijn waarschijnlijk andere belangrijke aminozuurinteracties die de onderzoekers nog niet in detail hebben kunnen in kaart brengen. Ze willen ook zoeken naar triggers die het proces initiëren buiten fosfaat. "Er kunnen een reeks andere zaken zijn die structurele veranderingen in deze eiwitten aansturen," zei Chris Holland. "We kennen nog niet alle schakelaars."

Superieure Materialen

Het volledig beschrijven van het complexe proces van het spinnen van zijde zal veel inspanning kosten, maar de beloning kan enorm zijn. Spinnen produceren kleine hoeveelheden bruikbare zijde vergeleken met zijderupsen. Om een zijden overhemd te maken zijn duizenden zijderupsen nodig; voor spinnen zou dat ongeveer 1 miljoen zijn, mede omdat ze geen cocons produceren die gemakkelijk verwerkt kunnen worden. Er is ook een praktischere reden: hun kannibalistische natuur maakt het moeilijk om ze te houden, omdat elke spin zijn eigen container nodig heeft.

Het produceren van spinnenzijde in het laboratorium zou kunnen leiden tot een nieuwe reeks sterke maar flexibele materialen. Kevlar, een synthetische vezel, is momenteel ons sterkste materiaal, maar vereist verwerking bij zeer hoge temperaturen en zure omstandigheden. "Hier heb je een organisme zoals een spin of een mossel," zei Harrington, "die in feite een superieur materiaal maakt onder omgevingscondities in zeewater of in gewone lucht."

Mensen hebben nog niet ontdekt hoe ze die organismen kunnen evenaren. Wanneer wetenschappers spinnenzijde in het laboratorium synthetiseren, met precies dezelfde sequentie van aminozuren om een spidroïne-eiwit te bouwen, is de resulterende zijde niet zo sterk als natuurlijke zijde. "Er gebeurt daar iets wat we ook worstelen om na te bootsen," zei Chalek. Hij denkt dat extra sterkte moet worden geleverd door iets anders dan de bèta-sheets van het eiwit, voortkomend uit andere aspecten van de structuur van de zijde, of wellicht uit delen van het spidroïne-eiwit die vaak worden weggelaten in synthetische zijdeoplossingen.

"Ik denk dat zodra we die blauwdrukken echt begrijpen," zei Chris Holland, "we meer kunnen doen met zijde."