鋼よりも強く、ケブラーよりも丈夫 – 科学者が世界最強のクモの糸に新たな光を当てる

多くの科学者は、非常に強く、軽量で、柔軟な絹糸を紡ぐクモの驚くべき能力を発見することを熱望しています。 実際、クモの糸は鋼よりも強く、ケブラーよりも丈夫です。 しかし、まだ誰もクモの働きを再現できていません。

これらの特性を備えた合成同等品を開発できれば、まったく新しい可能性の世界が開かれる可能性があります。合成クモの糸は、産業においてケブラー、ポリエステル、炭素繊維などの材料に取って代わることができ、たとえば軽量化に使用できる可能性があります。そして柔軟な製品。 防弾ジャケット。

南デンマーク大学 (SDU) の生化学・分子生物学部の博士研究員で生物物理学者であるイリーナ・イアシナ氏は、スーパーシルクのレシピを解明するためにこのレースに参加しています。 彼女は SDU の修士課程の学生だった頃からクモの糸に魅了されており、現在はヴェローム財団の支援を受けてボストンのマサチューセッツ工科大学でこのテーマを研究しています。

南デンマーク大学の生物物理学者イリーナ・ヤシナ氏は、コンピューターでクモの糸を研究しています。 クレジット: Anders Boe/南デンマーク大学

研究の一環として、彼女は、さまざまなタイプの顕微鏡を使用して生物学的構造を観察する専門家である SDU 助教授で生物物理学者のジョナサン・ブリューワーと共同研究を行っています。

彼らは今回初めて、クモの糸を一切切ったり開いたりすることなく、光学顕微鏡を使用してクモの糸の内部を研究した。 この作品は雑誌に掲載されました 科学的レポート そして スキャンが完了しました。

「私たちはいくつかの高度な顕微鏡技術を使用し、ファイバーの一部を見て内部に何があるのか​​を確認できる新しいタイプの光学顕微鏡も開発しました」とジョナサン ブリューワー氏は説明します。

ゴールデンオーブクモは後端から糸を出します。 クレジット: Anders Boe/南デンマーク大学

これまでに、クモの糸はさまざまな手法を使用して分析されており、そのすべてが新たな洞察をもたらしています。 しかし、ジョナサン・ブリュワー氏が指摘するように、これらの技術には欠点もありました。顕微鏡用の断面を得るために絹糸（繊維とも呼ばれる）を切断する必要があったり、サンプルを凍結したりする必要があり、その結果、組織の構造が変化してしまう可能性があります。シルク繊維。

「私たちは、切断、凍結、またはいかなる加工もされていない、純粋な未処理の繊維を研究したかったのです」とイリーナ・イアシナ氏は言います。

この目的のために、研究コンビは、コヒーレントアンチストークスラマン散乱、共焦点顕微鏡、超解像蛍光反射共焦点顕微鏡、ヘリウムイオン走査顕微鏡、ヘリウムイオンスプレーなどの侵襲性の低い技術を使用しました。

さまざまな研究により、クモの糸繊維は少なくとも 2 つの外側の層、つまり脂質で構成されていることが明らかになりました。 その背後、フィブリル内には、いわゆるフィブリルが多数あり、直線状に配置され、隣り合って密集しています（図を参照）。 フィブリルの直径は 100 ～ 150 であり、通常の光学顕微鏡で測定できる限界未満です。

イラストから 科学的レポート 論文: 本研究で見つかったクモ糸繊維の提案された構造の概略図 (縮尺は一定ではありません)。 (A) ファイバーの側面図、(B) ファイバーの断面図。 厚さ 0.6 ～ 1 µm の脂質に富む非導電性の外層 (緑色)、および自己蛍光タンパク質の 2 つの導電性内側層: 1 つは FITC (青) に対して高い親和性を示し、もう 1 つはローダミン B (オレンジ) に対して高い親和性を示します。 内部タンパク質コアは、繊維の長軸に平行に整列した結晶性繊維で構成され、非晶質タンパク質領域に囲まれています。 出典: Iachina/Brewer、南デンマーク大学。

「想像されているかもしれないが、糸はねじれていない。そのため、人工クモの糸を作ろうとするときに糸をねじる必要がないことがわかった」とイリーナ・イアシナ氏は言う。

Iachina と Brewer は、黄金の球巣クモ、ジョロウグモ マダガスカリエンシスからの絹繊維を使って研究を行っています。この絹は 2 つの異なるタイプの絹を生成します。1 つは MAS (主要膨大絹糸) と呼ばれるもので、クモの巣を構築するために使用され、また絹でもあります。蜘蛛がしがみつくために使うもの。 イリーナ・イアシナはそれをクモの生命線と呼んでいます。 直径は約10マイクロメートルで非常に強力です。

もう 1 つは MiS (微小膨大シルク繊維) と呼ばれるもので、建築補助材として機能します。 より柔軟で、通常は直径が 5 マイクロメートルです。

二元分析によると、MAS シルクには直径約 145 nm のフィブリルが含まれています。 MiSに関しては116nm程度です。 各繊維はタンパク質で構成されており、いくつかの異なるタンパク質が関与しています。 これらのタンパク質は、クモが絹繊維を作るときに生成します。

このような強力な繊維がどのように作成されるかを理解することは重要ですが、繊維を製造することも困難です。 したがって、この分野の研究者は糸の生成にクモに依存することがよくあります。

代わりに、計算手法に頼ることができます。これがイリーナ・ヤシナ氏が現在取り組んでいることです。 マサチューセッツ工科大学: 「現在、タンパク質がどのようにして糸に変化するかについてコンピューター シミュレーションを実行しています。もちろん、目標は人工クモの糸の製造方法を学ぶことですが、私たちの周囲の世界についてのより深い理解に貢献することにも興味があります」 」

参考文献：「球体蜘蛛ジョロウグモ Nephila Madagascariensis から採取した一次および二次膨大部シルクのナノスコープ画像」Irina Iachina、Jacek Wiotowski、Horst Günter Ruban、Fritz Vollrath、Jonathan R. Breuer、2023 年 4 月 24 日、 科学的レポート。
土井: 10.1038/s41598-023-33839-z

「ヘリウムイオン顕微鏡とスパイダーシルクの切片作成」イリーナ・イアシナ、ジョナサン・R. ブロイアー、ホルスト・ギュンター・ルーバン、ヤツェク・ヴォイトウスキー、2023 年 5 月 22 日、 スキャンが完了しました。
土井: 10.1155/2023/2936788