Spindlar har utvecklats under mer än 400 miljoner år och har förmågan att spinna upp till sju olika typer av trådar, var och en med speciella egenskaper. En av trådtyperna är den segaste fiber som människan känner till, och som spindeln kan spinna blixtsnabbt utan att använda starka kemikalier eller lösningsmedel.

– Spindeltråd är lika stark som stål, dessutom oerhört tänjbar och kan absorbera mer energi än någon annan fiber man känner till, naturlig eller konstgjord, säger Anna Rising, professor i veterinärmedicinsk biokemi vid Sveriges lantbruksuniversitet.

Spindeltrådens egenskaper gör den attraktiv för många tillämpningar. Forskningen är en del av fältet biomimetik där man vill efterlikna naturens egna, smarta lösningar.

På jakt efter spindlar

Som nyutexaminerad veterinär kände sig Anna Rising lockad av forskning och fick chansen att arbeta med ett projekt om ortopediska implantat av spindeltråd.

– Spindeltråd är känd inom folkmedicin för att underlätta sårläkning. Man har också sett att den tolereras väl när den implanteras i kroppen.

Men uppgiften var en rejäl utmaning. För att kunna skapa implantat måste man producera spindeltråd på konstgjord väg, och det saknades grundläggande kunskap om spindeltrådsgenerna.

I ett försök att förstå mer om spindeltrådens egenskaper reste Anna Rising till Sydafrika för att hitta en specifik spindelart känd för sin starka tråd.

– Vi var ute i den sydafrikanska vildmarken i några veckor och letade spindlar bland skorpioner, ormar och lejon. Och vi lyckades faktiskt hitta hundra spindlar av den arten som jag letade efter.

Ur dessa spindlar kunde hon sedan utvinna DNA och börja studera de gener som kodar för spindeltrådsprotein.

Tillverkning i labbet

Nästa steg var att överföra spindeltrådsgenerna till en mikroorganism, i detta fall bakterier, som kan producera spindeltrådsprotein i en bioreaktor. Men det fanns ett problem. Spindeltrådsproteinerna blev kladdiga och bildade olösliga klumpar.

– Och när vi använde lösningsmedel förlorade proteinerna sin funktion.

Efter år av forskning och många försök lyckades Anna och hennes kollegor producera vattenlösliga spindeltrådsproteiner. Genombrottet kom när de insåg betydelsen av pH-förändringar i spindelns silkeskörtel.

– Den mest framträdande egenskapen hos den här körteln är att pH sjunker från cirka åtta till fem, förklarar Anna. När vi hade förstått det kunde vi börja studera hur spindeltrådsproteinerna beter sig under de förhållanden som råder i körteln.

Genom att efterlikna den naturliga pH-sänkningen och spruta ut proteinlösningen i en vattenlösning med pH fem kan de nu spinna konstgjord spindeltråd. Tillverkningen sker i en specialbyggd maskin i labbet. Vanligtvis är vätskan lite gulaktig och påminner om en banansmoothie, men den kan också bli rosafärgad då forskarna uttrycker ett spindeltrådsprotein som sitter ihop med ett rött fluorescerande protein.

– Det här är första gången som man har lyckats efterlikna hur spindeln spinner sin tråd.

Ögonblicket när vi kunde börja spinna konstgjord spindeltråd i labbet var en häftig upplevelse. En milstolpe var också när vi kunde börja skala upp produktionen och spinna flera trådar samtidigt i en större maskin.

Nya rön om spindeltrådskörteln

De konstgjorda trådarna är inte lika starka som naturlig spindeltråd, och Anna Rising vill förstå varför. Det behövs bland annat ingående studier av hur spindeltrådskörteln fungerar.

Som Wallenberg Scholar ska hon använda den senaste tekniken inom sekvensering, mikroskopi och strukturbestämning för att ta reda på hur spindeltrådskörteln klarar av att omvandla en proteinlösning till fiber inom loppet av millisekunder.

Hon vill också detaljstudera de specialiserade celler som producerar spindeltrådsproteinet.

– Dessa celler borde ha utvecklat hittills oupptäckta system för att kunna producera stora mängder mycket kladdiga och svårhanterade proteiner utan att de klumpar ihop sig, säger Anna Rising.

Hon vill också klarlägga sambandet mellan spindeltrådens proteinsammansättning och de mekaniska egenskaperna. Idén är att dra nytta av AI-teknik för att analysera stora mängder data och hitta mönster som kan ge ny information om detta samband. AI kan också användas för att skräddarsy egenskaper som man vill ge spindeltråden.

– Vi tror att trådarnas komplexa struktur, med lager av olika proteiner, är nyckeln till deras unika egenskaper, säger Anna. Genom att efterlikna detta kan vi kanske skapa konstgjorda trådar som matchar eller till och med överträffar naturlig spindeltråd.

Kan bli framtidens kläder

Den konstgjorda spindeltråden har stor potential inom flera områden. Inom textilindustrin kan den bli ett miljövänligt alternativ för att producera kläder.

– Spindeltråden kan ersätta plastbaserade fibrer och är dessutom förnyelsebar.

Även inom medicinen finns stora möjligheter. Spindeltråd kan användas för att underlätta nervläkning genom att fungera som en struktur längs vilken nervceller kan växa.

Forskningen bidrar också med ny kunskap om hur man kan hantera problem med proteiner som klumpar ihop sig, vilket är relevant för sjukdomar som Alzheimers och Parkinson.

– Det finns så mycket att lära sig från spindlarna, och vi har bara börjat skrapa på ytan av vad som är möjligt, säger Anna Rising.

Text Nils Johan Tjärnlund
Bild Magnus Bergström