Anna Rising: första gången konstgjord spindeltråd framställts på spindelns vis

Jag forskar inom medicin, och närmare bestämt inom fälten bioteknik, biokemi och regenerativ medicin. Vi kan nu producera spindeltrådsfibrer på konstgjord väg som motsvarar kroppens senor i styrka, är biokompatibla och bryts ner i takt med att ny vävnad bildas i kroppen. Detta biomaterial har potential att användas inom en rad medicinska områden. Vi fokuserar på regenerativ medicin (vävnadsrekonstruktion), främst stamcellsodling och återbildning av skadade nerver, vilket är ett relativt nytt forskningsområde. Målet på sikt är att kunna ersätta eller återställa skadade organ och vävnader.

Anna Rising och Jan Johansson, två av huvudförfattarna till den nya studien. Foto: Kerstin Nordling

Det är att vi för första gången kan spinna konstgjord spindeltråd på samma sätt som spindeln gör. I lagringsdelen av körteln kan spindeltrådsproteinerna lagras vid mycket höga koncentrationer – så höga att de bildar en gel – och i utförsgången omvandlas de snabbt till en solid fiber. Vi har under en lång tid studerat vad som händer utmed spindelns spinningsapparat och hur de förändringar vi observerade påverkar spindeltrådsproteinerna ner på molekylnivå. Vi insåg att utmed körteln sänks pH (det blir surare) och utförsgången smalnar av vilket gör att proteinerna utsätts för så kallade sjuvkrafter*. Spindeltrådsproteinerna ser förenklat ut som ett långt snöre med en liten boll i vardera änden. När pH sjunker slår den första bollen ihop med en annan, vilket gör att det bildas stora närverk av proteinkedjor, medan den sista bollen påverkar mittendelen att byta form, vilket tillsammans gör så att fibern bildas.

För att kunna få bakterier att producera spindeltrådsproteinerna åt oss var vi tvungna att designa om det naturliga spindeltrådsproteinet. Vi insåg att vi behövde båda bollarna men att de här delarnas egenskaper skiljer sig mellan arter. Vi gjorde därför en arthybrid där den första bollen kommer från en spindelart och den sista från en annan. Vi gjorde också mittendelen kortare för att underlätta för bakterierna. Den här proteindesignen var mycket lyckosam och bakterier kan med lätthet producera proteinerna åt oss i stora mängder, och vi kan koncentrera dom till lika höga koncentrationer som man ser i spindlarnas körtlar. Det här gör vi utan att använda några andra lösningsmedel än vatten och det är en av de största nyheterna med vår metod. Tidigare har man använt sig av starka lösningsmedel, till exempel isopropanol, för att tillverka fibrer, men då förstör man de sofistikerade proteinstrukturerna och därmed mekanismerna som gör att proteinerna ordnar sig på ett visst sätt och bildar en fiber.

Vi visade också att man förmodligen kan ta vilket protein som helst (vi använde plasmaproteinet albumin) och få det att bilda en fiber om man använder lösningsmedel och metoder som andra tidigare använt för att göra trådar av spindelproteiner, det vill säga dessa metoder är inte biomimetiska medan vår nya metod är det.

När vi lyckats med ovanstående behövde vi efterlikna spindelns spinnapparat och vi använde oss då av en glaskapillär som vi gjorde spetsig i ena änden. Spetsen är bara 20 mikrometer i diameter vilket gör att vi kan spinna mycket tunna trådar. Spetsen på kapillären är nedsänkt i ett vattenbad med pH 5. Proteinlösningen (som har pH8) pumpas genom glaskapillären och när proteinstrålen träffar vattenbadet med det sura pH:t bildas fibern i ett slag. Den här enkla med effektiva anordningen efterliknar alltså pH-sänkningen och sjuvkrafterna som spindeln använder sig av för att spinna tråd.

*Sjuvkrafter i flytande media uppstår när flödesriktningen ändrar sig snabbt över ett kort avstånd.

Det är stort för att proteinerna fungerar som de gör i spindeln och kommer, precis som i spindeln, ordna sig på ett specifikt sätt - dels i körteln där de är lösliga men även i fibern. Vår metod är den första metod som härmar hur spindeln gör tråd, det vill säga är biomimetisk, medan tidigare metoder har fungerat genom att man klumpat ihop proteinerna på ett oordnat sätt. Vår metod är alltså ett mycket viktigt steg mot att kunna framställa lika starka trådar som spindeln kan, och det är en av de saker vi jobbar vidare med. Vi kommer även att försöka ta fram tredimensionella strukturer av konstgjord spindeltråd i en 3D-skrivare, vilket skulle vara mycket värdefullt för industriella och medicinska användningsområden.

Studien publiceras i tidskriften Nature Chemical Biology.

Mer information

Länk: till artikeln: DOI 10.1038/nchembio.2269.