Forskare vid Northwestern University och San Diego State University (SDSU) har bättre reda ut den komplexa processen för hur svarta änkaspindlar omvandlar proteiner till stålhållfasta fibrer. Denna kunskap lovar att hjälpa forskare att skapa lika starka syntetiska material.

Svarta änka spindlar och deras släktingar, hemma i tempererade klimat i Nordamerika, Europa, Asien, Australien, Afrika och Sydamerika, producera en mängd siden med exceptionella materialegenskaper.

Forskare har länge känt till den primära sekvensen av aminosyror som utgör vissa spindelsilkeproteiner och förstått strukturen av fibrerna och vävarna. Tidigare forskning har teoretiserat att spindelsilkeproteiner väntar på spinningsprocessen som amfifila sfäriska miceller i nanostorlek (kluster av vattenlösliga och olösliga molekyler) innan de leds genom spindelns spinnapparat för att bilda silkesfibrer. Dock, när forskare försökte replikera denna process, de kunde inte skapa syntetiska material med styrkorna och egenskaperna hos inhemska spindelsilkefibrer.

"Kunskapsklyftan var bokstavligen i mitten, " Northwesterns Nathan C. Gianneschi sa. "Vad vi inte förstod helt är vad som händer på nanoskala i sidenkörtlarna eller den snurrande kanalen - lagringen, transformations- och transportprocess involverad i att proteiner blir fibrer."

Gianneschi är professor för Jacob och Rosaline Cohn vid avdelningen för kemi vid Weinberg College of Arts and Sciences och vid avdelningarna för materialvetenskap och ingenjörskonst och för biomedicinsk teknik vid McCormick School of Engineering. Han och Gregory P. Holland, docent vid institutionen för kemi och biokemi vid SDSU och författare till mer än 40 artiklar om spindelsilke, är tidningens medförfattare.

Forskningen kommer att publiceras online veckan den 22 oktober i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) .

Använder kompletterande, toppmoderna tekniker - kärnmagnetisk resonans (NMR) spektroskopi, samma teknik som används i MRI, på SDSU, följt av elektronmikroskopi vid Northwestern – forskargruppen kunde närmare se inuti proteinkörteln var silkesfibrerna har sitt ursprung, avslöjar en mycket mer komplex, hierarkisk proteinsammansättning.

Denna "modifierade micellteori" drar slutsatsen att spindelsilkeproteiner inte börjar som enkla sfäriska miceller, som tidigare trott, men istället som komplicerad, sammansatta miceller. Denna unika struktur krävs potentiellt för att skapa den svarta änkans imponerande fibrer.

"Vi vet nu att spindelsilke från svarta änka spins från hierarkiska nanosammansättningar (200 till 500 nanometer i diameter) av proteiner som lagras i spindelns buk, snarare än från en slumpmässig lösning av enskilda proteiner eller från enkla sfäriska partiklar, sa Holland.

Om duplicerad, "de praktiska tillämpningarna för ett material som detta är i princip obegränsade, Holland sa, och kan inkludera högpresterande textilier för militär, första responders och idrottare; byggmaterial för kabelbroar och andra konstruktioner; miljövänliga ersättningar för plast; och biomedicinska tillämpningar.

"Man kan inte överskatta den potentiella påverkan på material och ingenjörskonst om vi syntetiskt kan replikera denna naturliga process för att producera konstgjorda fibrer i skala, sa Gianneschi, som också är biträdande direktör för International Institute for Nanotechnology och medlem av Simpson Querrey Institute och Chemistry of Life Processes Institute i Northwestern. "Enkelt uttryckt, det skulle vara transformerande."

De PNAS papper har titeln "Hierarkiska Spidroin micellära nanopartiklar som de grundläggande föregångarna till spindelsilkes."