Draadkracht

Spindoctors maken supersterk nepweb

De sterkte en veerkracht van spinrag fascineren de mens al eeuwenlang.
Goed nieuws: onderzoekers hebben na vele ups en downs eindelijk een
natuurlijkvriendelijke manier gevonden om het na te maken. De sleutel:
bacteriën met een talenknobbel. De mogelijkheden: schier eindeloos.

Spinnen hebben een slechte reputatie. Ze figureren in horrorfilms en ook Shelob uit Lord of the rings is bepaald geen lieverdje. Maar wie door dat imago heen prikt, ziet datspinnen óók de gave hebben om een bijzondere stof te maken. Spinnenzijde is het sterkste biologische materiaal ter wereld, krachtiger dan Kevlar – de tot nu toe sterkste synthetische vezel. Met een dikte van een paar tiende micrometer kunnen spinnendraden al een invliegend insect opvangen. Je kunt je wel voorstellen dat ze op grotere schaal tot nog veel meer in staat zijn.

In potentie dus erg handig, dat goedje. Maar om het nuttig te gebruiken, moet je veel meer doen dan wat webben verzamelen. Het is weinig efficiënt om spinnen in de natuur één voor één te ‘melken’. En je kunt ze ook niet bij elkaar stoppen op een zogenaamde spinnenboerderij. Dan eten ze elkaar namelijk op. Bovendien produceert een spin slechts een paar milligram zijde per dag. Kortom: voor massaproductie van spinnenzijde heb je andere dieren nodig dan spinnen, zo redeneerden wetenschappers van het Canadese bedrijf Nexia (zie ook ‘Stop de kogel’, KIJK 5-2005). Tien jaar geleden bedachten ze daar een creatieve methode waarbij genetisch gemodificeerde geiten melk leveren met daarin het eiwit spidroin. Hiermee weven spinnen hun beroemde draad. De geiten werkten prima mee met het plan, maar de stap van melk naar echte zijde verliep moeizamer. Het bleek erg lastig om de spidroin uit de geitenmelk te zuiveren en ook het samenpersen van dat eiwit tot spinnendraad was een kunstje dat voorbehouden bleef aan spinnen. Inmiddels is Nexia failliet.

Raggende bacteriën

In de omgeving van München hebben onderzoekers van AMSilk nu wél een succesvolle manier gevonden om spinnenzijde in grote hoeveelheden te fabriceren. Ze namen het idee van Nexia over om daarvoor andere dieren in te schakelen, maar in plaats van geiten gebruiken ze bacteriën. Die produceren, na een aanpassing in hun DNA, ook spidroin. Dat blijft vervolgens netjes in de bacterie zitten, waardoor het gemakkelijker te winnen is. “Via deze methode maken we spinnenzijde van 100 procent puur eiwit”, zegt ‘spindoctor’ Lin Römer, hoofd van de onderzoeksafdeling van AMSilk. “Het is biologisch materiaal en niet giftig. Als je zou willen, kun je het zelfs opeten.”

Helaas maakt een bacterie niet zomaar spidroin aan als je een paar van zijn genen vervangt door die van een spin. Römer: “Het probleem is dat de genetische code om spidroin te maken erg verschilt tussen spin en bacterie. Dus als eerste stap hebben we die code vertaald, zodat de bacteriën ‘snappen’ wat ze moeten doen.” Om te begrijpen hoe die vertaling in zijn werk gaat, moeten we eerst weten hoe een spin zelf het naar hem vernoemde eiwit maakt.

Elk eiwit is opgebouwd uit verschillende bouwstenen, zogenoemde aminozuren. Het DNA van een spin bevat de informatie om de juiste aminozuren bij elkaar te brengen zodat die samen spidroin vormen. Die informatie ligt opgeslagen in codes van drie letters, waarbij elke code voor één bepaald aminozuur staat. Een spin heeft bijvoorbeeld de code GCU in zijn DNA, voor alanine – het belangrijkste aminozuur in spidroin. Transportmoleculen in spinnencellen voeren alanine met zich mee en lezen het DNA af, tot ze ergens ‘GCU’ lezen en de alanine op die plek neerleggen.

Maar als je simpelweg de code GCU in het DNA van de bacterie verwerkt, wordt daar niet automatisch alanine afgeleverd. Dat komt doordat een bacterie de transportmoleculen mist die ‘GCU’ kunnen lezen. Gelukkig bestaan er 64 verschillende codes en slechts 20 aminozuren. Sommige codes zijn dus synoniem aan elkaar; ze staan voor hetzelfde aminozuur. Zo betekent bijvoorbeeld GCG hetzelfde als GCU, en de transportmoleculen die ‘GCG’ kunnen lezen zijn in de bacterie wél aanwezig. Als de onderzoekers dus zorgen dat het bacterie-DNA de code GCG bevat, wordt op die plek alanine neergelegd.

Zo vertaalden de onderzoekers de genen van de spin voor de bacterie. Waar in ‘spinnentaal’ GCU staat voor alanine, doet GCG dat in ‘bacterietaal’. Net zoals het woord tafel in het Nederlands codeert voor een plank op vier poten, en table hetzelfde doet in het Engels. Via dezelfde methode, maar met andere codes, worden naast alanine nog verscheidene aminozuren, zoals glycine, op de juiste plek afgeleverd. Uiteindelijk vormen ze samen het eiwit spidroin.

Vissen met bolletjes

Gevoed door een suiker- en zoutoplossing vermenigvuldigen de gemodificeerde bacteriën zich razendsnel in een grote bioreactor, terwijl ze tegelijkertijd verschillende eiwitten aanmaken. Dat doen ze van nature al, maar nu zit daar dus ook spidroin tussen. Römer en zijn onderzoeksgroep hengelen vervolgens het felbegeerde eiwit uit de bacteriële brei. Ze doen dat met speciale bolletjes, waar alleen spidroin aan blijft kleven. Aan het oppervlak van zo’n bolletje zitten nikkelatomen. Die plakken elk aan een stukje van zes aminozuren (histidines) dat op het spidroineiwit zit. De andere eiwitten hebben dat stukje niet en blijven achter in de reactor. De bolletjes zijn zichtbaar met het blote oog en zijn er gemakkelijk uit te vissen. Römer: “Uiteindelijk houden we een schoon wit poeder over waarmee we verschillende producten van spinnenzijde kunnen maken.”

Naast het isoleren van het eiwit moet AMSilk nog iets doen om niet hetzelfde lot als Nexia te ondergaan: spidroin omzetten in spinnendraad. Bij deze stap in de productie is de aandacht niet gericht op andere beesten, maar op de spin zelf. Die perst zijn eiwitoplossing naar buiten via een kanaal dat steeds nauwer wordt, zodat de draad de juiste structuur krijgt. Ondertussen voegt hij zuren toe en onttrekt hij water en zouten. De onderzoekers kopiëren dat proces in het laboratorium. “We sturen de eiwitoplossing door een smalle pijp in een apparaat dat dezelfde chemische handelingen uitvoert als een spin,” zegt Jan van Hest, hoogleraar organische chemie aan de Radboud Universiteit Nijmegen. “Door alles tegelijk te doen, krijg je een goede vezel. Dat is echt een doorbraak die ze in München hebben bereikt. Het mooie is dat je zo vanzelf een stof krijgt die niet plakt. De lijm komt bij een spin namelijk uit een andere klier.”

Zelfverterend vangnet

Nu het eindelijk lukt om spinnenzijde te produceren, rest alleen nog de stap naar massaproductie. “Nu is het al mogelijk om een paar kilo poeder per week te produceren”, vertelt Römer. “Over twee tot drie jaar hebben we het over tonnen.” En als we dan eindelijk zoveel spinnendraad hebben, wat kunnen we daar dan mee? Om te beginnen kun je van de sterkste vezel natuurlijk de sterkste stof maken: voor kogelwerende vesten. Römer benadrukt wel dat een vest van pure spinnenzijde niet werkt: “Daarvoor is het veel te flexibel. Het spul stopt zeker een kogel, maar pas 10 centimeter achter je lichaam. Je vest blijft heel, maar zelf overleef je het niet.” In combinatie met andere vezels met aanvullende eigenschappen krijg je wel het gewenste resultaat: een flexibeler en veiliger kogelwerend vest. Voor gepantserde voertuigen, die een beetje mogen indeuken, is zuivere spinnenzijde wel geschikt. Maar niet alleen producten in het leger en in de beveiligingsbranche kunnen worden verbeterd dankzij de ontwikkelingen in München. De biomedische industrie krijgt er een hele reeks nieuwe toepassingen bij. Zo kun je een wond hechten met spinnendraad, waarna die hechtdraad vanzelf wordt verteerd. En synthetische implantaten worden beter geaccepteerd door het lichaam als ze zijn omhuld met spinnenzijde. Römer: “Na een paar maanden is de zijde als lichaamseigen aanvaard en verdwijnt het omhulsel vanzelf door vertering. Verder kunnen we de zijde verwerken in verband dat niet aan wonden plakt en kan een medicijn geleidelijk worden toegediend met een pil in zijde die langzaam vergaat.”

Van Hest doet onderzoek naar de eigenschappen van spinnenzijde. “Wat het spul zo uniek maakt, is de combinatie van taaiheid en sterkte in één stof. Helaas gaan de mechanische eigenschappen verloren als de zijde nat wordt. Dan krimpt het tot de helft van zijn lengte. In de praktijk moet je daar wel rekening mee houden, door het bijvoorbeeld waterdicht te omhullen.” Daarnaast zitten er volgens hem beperkingen aan commercieel gebruik. “Je moet uitkijken dat je spinnenzijde niet voor dezelfde toepassingen gebruikt als bijvoorbeeld bandengaren, want dat is veel goedkoper. Het moet wel een hoge toegevoegde waarde
hebben.”

Als we de zijde straks zo massaal kunnen produceren dat de prijs flink daalt, bewijzen we het milieu een grote dienst door het materiaal in zoveel mogelijk producten te verwerken. De natuur breekt het immers vanzelf weer af; het doorloopt de volledige natuurlijke cyclus. Net als een spin zijn draad ook helemaal recyclet: die eet zijn web op voor hij verder
trekt. Die achtpotige griezel uit horrorfilms verdient al met al een beter imago. Wie hem weet te imiteren, spint daar goed garen bij.