Aalto-yliopistossa tutkitaan, miten hämähäkinsilkkiä voidaan tuottaa laboratoriossa biotekniikan keinoin. Keinosilkistä kaavaillaan materiaalia esimerkiksi erityiskankaisiin ja biolääketieteen sovelluksiin, kuten kirurgisiin ompeleisiin.
Hämähäkinseitin erikoislaatuisuus on tunnettu jo antiikin ajoista asti. Myös nykytiede on vahvistanut aineen harvinaiset mekaaniset ominaisuudet. Kehysseitti, mistä hämähäkki tekee verkon, on hyvin vahvaa ja samalla joustavaa. Se on myös biohajoavaa, uusiutuvaa ja kevyttä verrattuna muihin kuituihin. Lisäksi seitti kestää sen rakenteeseen tulevia vaurioita.
Keinosilkkiä tuotetaan mikrobien, kuten bakteerien avulla. Siitä voidaan valmistaa erilaisia kuituja ja muita materiaaleja, kuten muovia korvaavia kalvoja esimerkiksi ruokapakkauksiin.
Tutkija Sesilja Arangon mukaan sovelluksista puhuttaessa ensimmäinen kysymys usein on, voiko silkistä tehdä vaatteita. Vastaus on, että voi. Esimerkiksi Stella McCartney on suunnitellut hämähäkinsilkistä mekon.
– Käytännössä kuitenkin uskon, että biolääketieteen sovellukset, kuten kirurginen lanka, ovat ensimmäisiä sovelluskohteita, sanoo proteiinipohjaisia materiaaleja tutkiva Aranko Aalto-yliopiston biotuotteiden ja biotekniikan laitoksesta.
Hän kuuluu biomolekulaariset materiaalit -tutkimusryhmään, jota johtaa professori Markus Linder.
Tarhaaminen mahdotonta
Hämähäkkejä riittää maailmassa, sillä erilaisia lajejakin on tunnistettu noin 50 000. Tutkijat arvioivat, että vähintään saman verran on vielä löytymättä.
Aranko kertoo, että hämähäkki voi tuottaa seitsemää erilaista lankaa. Niillä on toisistaan poikkeavia ominaisuuksia, kuten liimamaisuus tai vahvuus.
Miksei hämähäkkejä voi suoraan valjastaa tuotantoeläimiksi? Pienimuotoisia kokeita on kyllä tehty. Aranko näyttää videota, jossa otusparka on kytketty kiinni pöytään ja siltä kerätään pinsetillä lankaa pienelle kelalle. Hän tarkentaa, että videota ei ole otettu Aalto-yliopistossa, eikä siellä edes käytetä hämähäkkejä tutkimuksissa.
Selvää on, että silkin kerääminen hämähäkeiltä teollisessa mittakaavassa ei ole mahdollista, koska sitä ei saataisi riittävästi. Lisäksi hämähäkit ovat petoeläimiä ja popsivat myös toisiaan, eli niitä ei voi tarhata.
Mestaria ei ole helppo matkia
Seitin erikoislaatu lähtee molekyylitasolta. Seitti koostuu proteiinista ja se puolestaan letkasta aminohappoja, joilla on tarkka järjestys eli sekvenssi. Sekvenssissä on pitkiä jaksoja, joissa tietty aminohappojärjestys toistuu monta kertaa peräkkäin. Toistojaksoissa vuorottelevat järjestäytyneet kiteiset alueet, jotka tekevät materiaalista vahvaa, sekä epäjärjestyneet amorfiset alueet, jotka mahdollistavat joustavuuden.
Seitin DNA-sekvenssi tunnetaan, minkä ansiosta sitä voidaan valmistaa synteettisesti. DNA kopioidaan ja valmistetaan sen avulla silkkiproteiinimolekyyleja tuotto-organismeissa. Tämän voi tehdä esimerkiksi turvallisissa E.coli-bakteereissa.
– Lisäetuna on, että proteiinia voidaan muokata. Siihen voidaan esimerkiksi lisätä jotain muuta proteiinia, jolla on lääketieteellisesti hyödyllinen biologinen aktiivisuus, Aranko lisää.
Yksi suurimpia haasteita on kuitenkin, miten liuoksessa lilluvasta, rakenteeltaan järjestäytymättömästä proteiinista saadaan järjestäytynyttä kuitua.
Hämähäkki hoitaa homman mestarin ottein. Sen peräpäässä sijaitseva kudontaelin ensin syntetisoi proteiinin ja kerää sen säkkiin. Aine menee sen jälkeen kudontakanavan läpi, jossa liuos muuttuu kuiduksi.
Prosessia on vaikea toistaa laboratoriossa sellaisenaan. Silkkikuituja voidaan kuitenkin valmistaa ruiskuttamalla silkkiproteiiniliuosta altaaseen, jossa oleva liuos, esimerkiksi alkoholipohjainen tai hapan suolaliuos, saa sen jähmettymään kuiduksi.
Lupaavat komposiitit
Luonnosta löytyy monia kiinnostavia materiaaleja, joita voidaan hyödyntää ja mallintaa tutkimuksessa. Lupaavia kohteita ovat komposiittimateriaalit. Esimerkiksi selluloosan ja silkin yhdistelmästä saadaan yhtä aikaa lujaa, jäykkää ja sitkeää materiaalia.
Linderin mukaan erilaisia silkkiproteiineja voivat tuottaa monet organismit. Esimerkiksi simpukankuoren helmiäinen rakentuu kalsiumkarbonaattikiteistä, jotka liimautuvat toisiinsa erään silkkityyppisen joustavan proteiinin avulla.
Tällaisten yhdistelmien avulla voidaan lähteä suunnittelemaan komposiittimateriaaleja, joita ei luonnossa esiinny.
– Tieteen ja tutkimuksen avulla selvitetään, miten silkkityyppiset materiaalit toimivat molekyylitasolla ja miten ne muodostavat rakenteita.
Selluloosa on lujaa, kestävää, helposti saatavaa ja kustannustehokasta raaka-ainetta. Liimaamalla yhteen muunneltua silkkiproteiinia ja pieniä sellukuituja saadaan ominaisuuksiltaan ainutlaatuista materiaalia. Komposiitin käyttömahdollisuudet ovat erittäin laajat.
Linderin vetämään tutkimusryhmään kuuluu noin parikymmentä henkilöä. Eräs tutkimuslinja pitää sisällään komposiittimateriaalit, joita voi käyttää esimerkiksi implanteissa ja iskunkestävissä kohteissa.