Simulation de la soie d’araignée – Percée chinoise révèle le secret de fabrication
Comme un chef professionnel possédant ses recettes spéciales qui rendent ses plats délicieux, les araignées utilisent naturellement un améliorant moléculaire pour renforcer leur soie. La concurrence entre les chercheurs pour découvrir cette recette spéciale et la mettre en œuvre de manière respectueuse de l’environnement a été intense, un défi que prétend avoir relevé une équipe de chercheurs chinois.
Une méthode efficace suggérée par les chercheurs par le passé pour produire des fibres similaires à la soie d’araignée impliquait d’introduire des éléments constitutifs de la protéine « amyloïde » avec les protéines de soie d’araignée (la spidroïne), donnant des résultats positifs en produisant une soie ressemblant en force et en durabilité à celle produite par l’araignée.
Cependant, cette approche avait des effets négatifs sur l’environnement et la santé. C’est le problème qu’une équipe de chercheurs de l’Institut Karolinska et de l’Université Soochow en Chine a abordé dans une nouvelle étude publiée dans la revue « Advanced Functional Materials ».
Processus de production de la soie d’araignée
Le processus de production de la soie d’araignée comprend plusieurs étapes, notamment:
- La transcription et la traduction génétiques: Les cellules spécialisées produisent la protéine de soie « spidroïne » à l’intérieur des glandes séricigènes par des processus de transcription et de traduction génétiques. Cette protéine est généralement fabriquée sous forme de longues chaînes protéiques répétitives contenant des séquences d’acides aminés différentes qui déterminent les propriétés de la soie produite, telles que sa force, sa flexibilité et son adhérence.
- Le stockage: Une fois fabriquée, la spidroïne est stockée de manière concentrée à l’intérieur des glandes séricigènes jusqu’à ce qu’elle soit nécessaire, agissant comme des réservoirs en le maintenant sous forme liquide.
- L’excrétion: Lorsque l’araignée a besoin d’utiliser la soie, elle appuie sur ses glandes séricigènes pour presser le liquide à travers un canal étroit appelé l’épinette. En passant par l’épinette, le liquide se transforme en fibres solides par un processus appelé « l’extrusion », alignant et organisant les molécules de spidroïne en une structure très organisée pour former les fibres de soie.
- La solidification: Une fois sorties de l’épinette, les fibres de soie se solidifient par des processus tels que le séchage ou l’exposition à l’air, formant des fils forts et souples.
Comment produit-on de la soie d’araignée en laboratoire?
Les tentatives de production de soie d’araignée en laboratoire ont commencé par la découverte d’une méthode pour produire les protéines de soie d’araignée, la spidroïne, en utilisant la technologie de l’ADN recombinant, comme suit :
- Isolation des gènes: Les chercheurs ont isolé les gènes responsables de l’encodage des protéines de soie d’araignée du génome des araignées, ces gènes contenant les instructions pour sa production.
- La technologie de l’ADN recombinant: En utilisant la technologie de l’ADN recombinant, les scientifiques insèrent le gène de la spidroïne dans un organisme hôte vivant, tel que des bactéries, des levures ou d’autres types de cellules, leur permettant d’utiliser le mécanisme cellulaire de l’organisme hôte pour produire les protéines de soie d’araignée.
- L’expression et la purification: L’organisme hôte assemble ensuite les protéines de soie d’araignée en fonction du gène inséré, permettant aux scientifiques d’ingénieriser l’organisme hôte pour produire des quantités importantes de protéines de soie d’araignée souhaitées. Après la production, les protéines sont purifiées des cellules hôtes pour éliminer tout contaminant.
- Le traitement et le filage: Une fois purifiées, les protéines de soie d’araignée traitées pour former un liquide peuvent être filées en fibres à l’aide de différentes techniques, telles que le filage humide ou le filage à sec. Pendant le filage, le liquide est extrudé à travers une filière pour former des fibres continues, qui se solidifient en fils de soie lorsqu’ils sont tirés.
Entre le passé et la percée chinoise
La soie produite à partir des protéines de soie d’araignée, la spidroïne, synthétisée en laboratoire, n’était pas aussi solide que celle produite naturellement, les araignées gardaient le « secret de la fabrication » que les équipes de recherche tentaient de percer.
Des tentatives antérieures ont montré que l’introduction d’éléments constituants de la protéine amyloïde dans les protéines de soie améliorait la production de soie naturelle avec la même efficacité de celle de l’araignée en termes de force, mais le risque de produire des substances intermédiaires toxiques pendant le processus d’auto-assemblage était un problème.
Un communiqué de l’Institut Karolinska explique que l’exploit réalisé dans cette nouvelle étude réside dans la description d’une méthode atteignant l’objectif de reproduire la force de la soie d’araignée naturelle sans produire de substances intermédiaires toxiques. Ils ont utilisé un type de molécules amélioratrices appelées « domaines de jonction » qui s’assemblent de manière autonome en des fibres ressemblant à de l’amyloïde par des voies évitant la formation de substances intermédiaires toxiques.
Passeport pour les applications… 3 conditions
Le succès des chercheurs à surmonter le problème de toxicité lors de la tentative de copier la soie d’araignée ouvre la voie à son utilisation dans de nombreuses applications, comme l’indique le professeur de génie textile à l’Université d’Assiout (sud de l’Égypte) Khalid El-Khouly.
El-Khouly déclare lors d’un entretien téléphonique avec Al Jazeera Net que cette soie peut être utilisée dans diverses industries, notamment le textile, l’aérospatiale et le génie biomédical. Par exemple, elle peut être utilisée pour fabriquer des matériaux plus forts et plus légers pour les vêtements, les parachutes ou les prothèses médicales.
Il ajoute que la compatibilité biologique de la soie d’araignée la rend appropriée pour les applications biomédicales, pouvant être utilisée pour créer des échafaudages pour l’ingénierie tissulaire, des systèmes de délivrance de médicaments ou des sutures chirurgicales nécessitant une résistance élevée et une compatibilité biologique.
Avant que ce produit obtienne le feu vert pour ces applications, El-Khouly identifie trois conditions sur lesquelles les chercheurs devront travailler dans des études ultérieures, à savoir :
- Poursuivre les études pour évaluer la compatibilité biologique et la sûreté des fibres de soie améliorées pour diverses applications, en particulier dans le contexte biomédical.
- Assurer la résistance maximale malgré les résultats positifs, les chercheurs doivent s’assurer qu’ils ont atteint le maximum de la force, ce qui nécessitera des études ultérieures pouvant conduire à augmenter la force, soit en apportant des modifications à la composition des domaines de jonction, soit en explorant d’autres modifications aux protéines de soie.
- Elargir la production des fibres de soie d’araignée pour les applications commerciales
nécessitera des processus de fabrication efficaces et rentables, et les études ultérieures doivent décrire comment la fabrication à l’échelle commerciale est réalisée.