Hoe spinnen zijde maken

Zweedse onderzoekers hebben ontdekt hoe spinnen met hun zijdeklieren dat lichte en ijzersterke spinrag maken.

Kruisspin in zijn spinnenweb

Spinrag is een van de wonderlijkste materialen op aarde. Het is lichtgewicht en elastisch en naar verhouding sterker dan staal. Spinnen produceren hun zijde ook nog eens razendsnel: ze kunnen er per seconde meer dan een meter van spinnen. Tot nu toe was onbekend hoe ze dat voor elkaar krijgen, met andere woorden: wat er precies in hun zijdeklieren gebeurt. Zweedse wetenschappers hebben het chemisch onderzocht, onder meer met micro-elektroden die ze in de zijdeklieren plaatsten. Een sterke gradiënt in zuurgraad bleek de sleutelfactor te zijn (PLOS Biology, 5 augustus).

Technologen zouden dolgraag zelf spinnenzijde maken, voor toepassing in bijvoorbeeld kogelvrije vesten, als medisch hechtdraad of zelfs als medisch implantaat. Maar tot nu toe is het niemand gelukt synthetisch spinrag te maken. Het Zweedse onderzoek brengt dit wellicht een wat dichterbij.

De zijdeklieren van spinnen maken eerst een waterige oplossing van zijde-eiwitten: lange eiwitten opgebouwd uit wel 3.500 aminozuren in een steeds herhaalde volgorde. Het brede, zakvormige gedeelte van de zijdeklieren slaat deze oplossing tijdelijk op, waarbij de eiwitten ongestructureerd zijn opgevouwen. Op weg naar de uitgang passeert de eiwitoplossing een steeds nauwer wordende gang, die aan het uiteinde slechts 20 micrometer in doorsnede is. In die gang daalt de zuurgraad vrij plotseling van een neutrale pH 7,6 naar een zure pH 5,7.

Labexperimenten lieten vervolgens zien dat de zijde-eiwitten zich bij dalende pH via een tweetrapsproces aan elkaar hechten, kop aan staart. Eerst worden daarbij de koppen van de eiwitten stabieler en de staarten juist instabieler. Dat bleek een voorwaarde voor de volgende stap: een snelle, perfecte kop-staarthechting, waarbij de eiwitten zich netjes uitvouwen.

De Zweden ontdekten dat het enzym koolstofanhydrase verantwoordelijk is voor de sterke pH-gradiënt in het smaller wordende deel van de zijdeklieren. Dit enzym zet koolstofdioxide en water om in waterstofcarbonaat en waterstofionen. Die laatste zorgen voor de dalende pH.

Ze stelden ook vast dat de structuur van de instabiele eiwitstaarten erg lijkt op die van amyloïde-eiwitten. Dat zijn de eiwitten die plaques vormen in de hersenen van patiënten met Alzheimer. De Zweden hopen dat hun bevinding kan helpen bij het begrijpen van de plaquevorming bij deze ziekte. En dus ook bij het maken van synthetische spinnenzijde.

    • Nienke Beintema