Mikroskopiska versioner av kokongerna spunnit av silkesmaskar har tillverkats av ett team av forskare. De små kapslarna, som är osynliga för blotta ögat, kan skydda känsliga molekylära material, och skulle kunna visa sig vara en betydande teknologi inom områden inklusive livsmedelsvetenskap, bioteknik och medicin.

Kapslarna tillverkades vid University of Cambridge med en specialutvecklad mikroteknikprocess. Processen efterliknar på mikroskalan sättet som Bombyx mori silkesmaskar spinner kokongerna från vilka naturligt silke skördas. De resulterande kapslarna i mikronskala består av ett fast och tufft skal av silkesnanofibriller som omger och skyddar ett centrum av flytande last, och är mer än tusen gånger mindre än de som skapas av silkesmaskar.

Skriver i journalen Naturkommunikation , teamet föreslår att dessa "mikrokokonger" är en potentiell lösning på ett vanligt tekniskt problem:hur man skyddar känsliga molekyler som har potentiella hälso- eller näringsfördelar, men kan lätt försämras och förlora dessa gynnsamma egenskaper under lagring eller bearbetning.

Studien hävdar att förslutning av sådana molekyler i ett skyddande lager av siden kan vara svaret, och att silkesmikrokokonger som är alldeles för små för att se (eller smaka) skulle kunna användas för att hysa små partiklar av nyttig molekylär "last" i olika produkter, som kosmetika och mat.

Samma teknik skulle också kunna användas i läkemedel för att behandla ett brett spektrum av svåra och försvagande sjukdomar. I studien, forskarna visade framgångsrikt att silkesmikrokokonger kan öka stabiliteten och livslängden för en antikropp som verkar på ett protein som är inblandat i neurodegenerativa sjukdomar.

Arbetet utfördes av ett internationellt team av akademiker från universiteten i Cambridge, Oxford och Sheffield i Storbritannien; det schweiziska federala tekniska institutet i Zürich, Schweiz; och Weizmann Institute of Science i Israel. Studien leddes av professor Tuomas Knowles, en stipendiat vid St John's College vid University of Cambridge och meddirektör för Center for Protein Misfolding Diseases.

"Det är ett vanligt problem inom en rad områden av stor praktisk betydelse att ha aktiva molekyler som har fördelaktiga egenskaper men som är utmanande att stabilisera för lagring", sa Knowles. "En begreppsmässigt enkel, men kraftfull, lösningen är att lägga dessa i små kapslar. Sådana kapslar är vanligtvis gjorda av syntetiska polymerer, som kan ha ett antal nackdelar, och vi har nyligen undersökt användningen av helt naturliga material för detta ändamål. Det finns potential att ersätta plast med hållbara biologiska material, som silke, för det här syftet."

Dr Ulyana Shimanovich, som utförde en stor del av det experimentella arbetet som en postdoktoral forskarassistent vid St John's College, sa:"Silke är ett fantastiskt exempel på ett naturligt strukturellt material. Men vi var tvungna att övervinna utmaningen att kontrollera silket i den utsträckning som vi kunde forma det efter våra mönster, som är mycket mindre än de naturliga sidenkokongerna."

Dr Chris Holland, medarbetare och chef för Natural Materials Group i Sheffield tillade:"Silke är fantastiskt eftersom det lagras som en vätska, spinning förvandlar det till ett fast ämne. Detta uppnås genom att sträcka ut silkesproteinerna när de rinner ner i ett mikroskopiskt rör inuti silkesmasken."

För att imitera detta, forskarna skapade en liten, konstgjord spinnkanal, som kopierar den naturliga spinningsprocessen för att få det ospunna siden att formas till en fast substans. De utarbetade sedan hur man kontrollerar geometrin för denna självmontering för att skapa mikroskopiska skal.

Att tillverka konventionella syntetiska kapslar kan vara utmanande att åstadkomma på ett miljövänligt sätt och av biologiskt nedbrytbara och biokompatibla material. Silke är inte bara lättare att tillverka; det är också biologiskt nedbrytbart och kräver mindre energi att tillverka.

"Naturligt siden används redan i produkter som kirurgiska material, så vi vet att det är säkert för mänskligt bruk, " sa professor Fritz Vollrath chef för Oxford Silk Group. "Viktigt, tillvägagångssättet förändrar inte materialet, bara dess form."

Silkesmikrokokonger kan också utöka utbudet och hållbarheten för proteiner och molekyler tillgängliga för farmaceutisk användning. Eftersom tekniken kan bevara antikroppar, som annars skulle försämras, i kokonger med väggar som kan designas för att lösas upp med tiden, det skulle kunna möjliggöra utvecklingen av nya behandlingar mot cancer, eller neurodegenerativa tillstånd såsom Alzheimers och Parkinsons sjukdomar.

För att utforska livsdugligheten för silkesmikrokapslar i detta avseende, forskarna testade framgångsrikt mikrokokongerna med en antikropp som har utvecklats för att verka på alfa-synuklein, proteinet som tros fungera felaktigt i början av den molekylära process som leder till Parkinsons sjukdom. Denna studie genomfördes med stöd av Cambridge Center for Misfolding Diseases, vars forskningsprogram är inriktat på sökandet efter sätt att förebygga och behandla neurodegenerativa tillstånd som Alzheimers och Parkinsons sjukdomar.

"Några av de mest effektiva och mest sålda terapierna är antikroppar, " Michele Vendruscolo, meddirektör för Cambridge Center of Misfolding diseases, sa. "Dock, antikroppar tenderar att vara benägna att aggregeras vid de höga koncentrationer som behövs för leverans, vilket innebär att de ofta skrivs av för användning i behandlingar, eller måste konstrueras för att främja stabilitet."

"Genom att innehålla sådana antikroppar i mikrokokonger, som vi gjorde här, vi kan avsevärt förlänga inte bara deras livslängd, men också utbudet av antikroppar till vårt förfogande, " sa Knowles. "Vi är mycket glada över möjligheterna att använda kraften hos mikrofluidik för att generera helt nya typer av konstgjorda material från helt naturliga proteiner."

Studien, Silkesmikrocooons för proteinstabilisering och molekylär inkapsling, publiceras i Naturkommunikation .