Forsøg på at producere edderkoppetråd

Man har længe ønsket at kunne producere verdens stærkeste naturlige tråd, edderkoppespindet. De radiære tråde i et edderkoppespind er 3 gange stærkere end DuPont’s Kevlar-tråde, som bl.a. bruges til cykeldæk og skudsikre veste, og 5 gange stærkere end stål med samme vægt. I modsætning til Kevlar er edderkoppernes livlinetråd også ekstremt elastisk – og kan strækkes bedre end nylon. Det er grunden til, at der kræves 10 gange mere energi for at sprænge en livline-spindtråd end at rive en Kevlar-tråd over. Desuden er spindtrådene 25% lettere end syntetiske polymerer lavet af olie (4968).

Edderkoppespindet er en nanofiber, som kan stoppe en bi, som flyver 21 km i timen, uden at fiberen sprænges. Et vævet tov af en tommelfingers tykkelse ville kunne bære vægten af en jumbojet. Så stærke fibre ville bl.a. kunne bruges militært, f.eks. til faldskærm-liner (især når man skal nedkaste tankvogne og andre tunge ting) og til de kabler, som stopper fly, når de lander på hangarskibe. De ville kunne gøre skudsikre veste lettere, og trådenes lethed ville gøre dem velegnede i lette flyvemaskiner og racerbiler. De stærke tråde ville også kunne bruges til biologisk nedbrydelig fiskesnøre. Og de ville kunne bruges til supertynde sytråde til f.eks. øjenoperationer og nerveoperationer. Edderkoppespind-trådene tåles af menneskets krop. De kan derfor bruges til kunstige sener og i kunstige lemmer. Det ville også kunne bruges til heling af sår. Der ville være et stort marked for et sådant stof.

Trådene består af proteiner, dvs. at eddderkoppespindet er opbygget af aminosyrer ligesom vores hud og hår. Man har forgæves forsøgt at producere spindproteiner i edderkoppefarme (edderkopperne åd hinanden). Det er tidligere lykkedes at få bakterier og gærceller til at lave edderkoppespind-proteiner, men de lange proteiner danner uopløselige klumper inde i bakterierne og gærcellerne. Selv når de ekstraheres, kan de ikke let spindes til fibertråde. Man har heller ikke kunnet fremstille edderkoppespind kunstigt på anden måde, fordi det er vanskeligt at lave de meget lange proteinkæder, som findes i naturlige edderkoppespind.

Det lykkedes først, da man brugte pattedyrceller og senere geder. Gederne kan producere proteinerne, fordi pattedyr producerer mælkeproteiner på nogenlunde samme måde, som edderkopperne producerer deres spindproteiner. I 2000 blev det rapporteret, at Nexia Biotechnologies havde avlet geder med edderkoppegener. University of Wyoming havde leveret edderkoppe-generne (4934).

Jeffrey Turner fra Nexia Biotechnologies fik ideen til spindproteinerne, medens han underviste på McGill University i Montreal i 1992, efter at have hørt om, at forskere havde isoleret nogle edderkopgener, som koder for spindproteiner.

I 1993 grundlagde Jeffrey Turner firmaet Nexia med 2 millioner doller i investeringskapital. Senere rejste Nexia 27 mill. dollar i offentlige aktier (4936). Jeffrey Turner begyndte med mus og gik videre til geder, som med deres større mælkekirtler er bedre maskiner til at lave mælk. I 1998 fik Nexia fløjet 130 nigerianske dværggeder (Capra hircus) fra New Zealand til Plattsburgh ved New York. Denne gedetype begynder allerede at formere sig og få mælk, når den er 13 uger gammel (4936). (Det på forrige side nævnte firma GTC Biotherapeutics bruger større geder).

Produktion i pattedyrceller
Nexia-forskerne blev oprindelig inspireret af det arbejde, som prof. Fritz Vollrath udførte, medens han arbejdede ved Oxford Universitet. Han anvendte celler fra køer og hamstere, og ved at indsætte gener fra edderkopperne fik han cellerne til at udskille spindproteiner (4939).

I 2002 rapporterede firmaet, at de havde fået pattedyrceller til at lave edderkoppespind-protein. De havde valgt celletyper, som var i stand til at udskille store mængder protein, nemlig celler fra køers lunger og nyreceller fra hamsterfostre. Cellerne fik indført gener fra to forskellige arter af hjulspindende edderkopper, som var kendt for at have stærke radiærtråde. Spindproteinerne blev produceret af pattedyrcellerne og udskilt til dyrkningsvæsken. De canadiske forskere anvendte en forkortet udgave af et gen for spindets proteiner. Dette gen, som kaldes ADF-3, blev indsat i laboratoriecellerne (4995).

Efter på denne måde at have fremstillet og opsamlet proteinerne, sendte Nexia-forskerne materialet til mikrobiologen Steven Arcidiacono ved den amerikanske hærs biologisk-kemiske forskningsstation i Natick, Massachusetts, hvor man havde udviklet en spindingsteknik (4941).

Når den proteinholdige opløsning blev hældt i en sprøjte og presset ud gennem et meget tyndt rør, og ind i en opløsning af methanol, samledes proteinerne af sig selv til en trådfiber, som en netop synlig silkelignende tråd, lidt tyndere end et menneskehår(4939). Tråden ligner spindtråden fra en edderkop, men er ikke identisk. Den har en diameter på 10-40 mikrometer. Den naturlige edderkoppetråd er endnu tyndere. Generelt er tyndere spindtråde ofte stærkere, selv om man ikke kender årsagen hertil. Den kunstige tråd er da heller ikke helt så stærk som den naturlige tråd. De anvendte spindingsbetingelser var kun tilstrækkelige til at lave fibre med en styrke på en trediedel af den naturlige edderkoppetråds styrke. Det er dog stærkt nok til at kunne bruges ved mikrokirurgi. Tråden var cirka 3 gange mere elastisk end den naturlige spindtråd. Ved at ændre på produktionsbetingelserne eller tilsætte protein fra en anden edderkop vil man måske kunne opnå en bøjelighed som hos naturligt edderkoppespind.

Spindproteinerne klumper ikke og danner ikke gelé i vand. Hvis de gjorde det, ville det være umuligt at lave dem til fibre. De vanduopløselige fibre, som man havde spundet af proteinerne i den vandige opløsning, gav Nexia Biotechnologies navnet ”BioSteel”. Forskerne ved Nexia Biotechnology har i Science fra 18. jan. 2002 beskrevet detaljerne i produktionen af forskellige edderkoppespind-proteiner.

Produktion i geder
Nexia’s første gensplejsede ged, kaldet “Willow”, blev født i 1998. Den kunne ikke producere spindprotein, men viste princippet, idet den havde gener, som kunne producere et terapeutisk humanprotein. Året efter fulgte gederne Clint, Arnold og Danny, som var klonede geder, frembragt med samme teknik, hvormed man havde klonet fåret Dolly, verdens første klonede pattedyr. (GTC klonede verdens første ged i okt. 1998). De klonede geder blev lavet ved hjælp af cellekerner fra voksne geders kropsceller, idet cellekernerne erstattede kernerne i æg fra hungeder.

De første geder, som var fremavlet efter at have fået indsat gener fra edderkopper, var Webster og Pete. Det var to væddere, og deres navne henviser til det engelske ord ”web” for spind, og lille Peter edderkop. Webster og Pete blev ført til staten New York, hvor de blev krydset med normale hun-geder. Senere kunne man læse, at to nigerianske dværggeder levede et beskyttet liv i en betonbunker på en nedlagt militærflybase i Plattsburgh, New York. Det var to hungeder ved navn Mille og Muscade, som havde arvet spindprotein-generne.

Mælken indeholdt spindproteinerne. Hun-gederne dannede det komplekse protein i deres mælkekirtler. Deres mælk så ud og smagte som gedemælk, men hvis spindproteinerne filtreres fra og oprenses til et fint hvidt pulver, skulle man kunne spinde en stærk tråd af det (4936).

Nexia Biotechnologies har givet universitetet licens til at udnytte spindproteinet kommercielt, eftersom Nexia ikke selv kan finde ud af at spinde proteinet til tråde, og Nexia har leveret ca. 2 tons gedemælk med spindproteinet i, og den amerikanske hær har givet universitetet spindeudstyr, så det kan forsøge at lave spindtråde, som kan bruges i skudsikre veste. Fryserne i laboratoriet hos Randolph V. Lewis er fyldt godt op med de 2 kubikmeter gedemælk, der faktisk kun er nok til at lave én sådan skudsikker vest, hvis det lykkes. I sommeren 2006 fornyede det amerikanske luftvåben et tilskud på ½ mill. dollar til prof. Randy Lewis’ forskning i edderkoppespind. I næsten to årtier har Randolph V. Lewis ved University of Wyoming forsøgt at lære hemmelighederne ved edderkoppespind at kende. Flere unge forskere deltager nu i hans forskerteam.

Edderkoppespindets opbygning
Omkring en fjerdedel af alle edderkopper laver hjulspind. Den stærkeste spindtråd er den tråd, som danner den ydre omkreds af hjulspindet samt de tråde, som stråler radiært ud fra hjulspindets centrum. Denne særlig stærke spindtråd bruges også til den tråd, som edderkopper, der falder ned fra en gren, spinder som en livline.

Edderkoppernes spind har egenskaber, som er udviklet over 400 millioner år (4939). Man har fundet næsten fuldstændige spindevorter fra en edderkop fra midt-Devon (4943), og fra tidlig-Kridt har man fundet et helt edderkoppespind med dets bytte (4944). Deres gener for at lave de stærke træktråde har været stort set uændrede gennem de seneste 125 millioner års udvikling (4941).

Randolph (Randy) Lewis fra Laramie universitetet i Wyoming og hans medarbejdere har identificeret proteiner, som opbygger de særlig stærke spindtråde.

Edderkoppenes tråde er næsten udelukkende opbygget af protein. Fiber-diffraktionsstudier har vist, at proteinerne indeholder krystallinske områder med såkaldte beta-ark (ß-sheets). Det giver styrken, men årsagen til elasticiteten er stadig noget af et mysterium.

Edderkoppetråde er uopløselige i alt undtagen nogle få organiske væsker. Derfor kan deres struktur ikke studeres med traditionelle proteinanalysemetoder, såsom røntgen-krystallografi og NMR (nuklear magnetisk resonans spektroskopi). Derfor har man måttet gå omvejen og studere proteinet ud fra sekvensen af dets gener, som fortæller om rækkefølgen af aminosyrerne i proteinet, men ikke så meget om den rumlige fordeling i det endelige protein.

1: Alanin-gentagelser i spindprotein
I et undersøgt spindprotein har man fundet områder af proteinstrengen, som udelukkende består af aminosyren alanin. Der kan være op til 7 sådanne alanin-enheder i rækkefølge(4968).

2: GGX-gentagelser (styrke)
Imellem disse alanin-områder er der gentagne sekvenser med 3 aminosyrer, nemlig to glyciner (GG) og en tredie aminosyre (som vi kan kalde X), og som kan være tyrosin, leucin eller glutamin. På grundlag af computermodeller antager Randy Lewis, at disse gentagne GGX-motiver danner en spiral, hvor hver gruppe af de 3 aminosyrer danner en fuld drejning i spiralen. I denne struktur vil alle X-aminosyrerne rage udad på den ene side af spiralen. Computermodellen viser, at hvis to sådanne strenge ligger tæt sammen på antiparallel måde, vil deres X-aminosyrer kunne gribe ind i hinanden som i en lynlås. Det er formentlig dette, som giver den kolossale styrke (4968). Spindtrådenes fjederlignende beta-spiraler er altså ifølge modellen opbygget som to antiparallelle polypeptidstrenge med form som spiraler, der er opbygget af glycin-glycin-X gentagelser, som passer sammen som takkerne i en lynlås.

3: GPGXX-gentagelser (elasticitet)
Trådens elasticitet antages at skyldes en gentagen gruppe af 5 aminosyrer (et pentapeptid-motiv) bestående af glycin-prolin-glycin (GPG) og to andre aminosyrer (XX). Denne GPGXX-sekvens antages at danne en såkaldte beta-snoning (ß-turn). Flere efterfølgende beta-snoninger antages at danne en fjederlignende beta-spiral (ß-spiral). Spiralen strækkes, når der trækkes i tråden (4968).

Ved at sammenligne spindtrådene fra forskellige edderkoppearter har Randolph Lewis konstateret, at spindproteiner, som mangler det elastiske GPGXX-segment, højst kan strække sig 5%. Hvis et spindprotein derimod har ni af de elastiske segmenter, er dets elasticitet på 20-30%. Og hvis proteinet har 60 GPGXX-gentagelser er trådens elasticitet over 200%. (4968)

Forskergruppen har fremstillet 18 forskellige variationer af trådproteinet for at se virkningerne på styrken og elasticiteten.

Forskergruppen har også planer om at bruge spindtrådene til at dyrke stærke sener til medicinske implantater. Man har forsøgt at få transgene celler til at producere silkeorme-silke, men det viste sig at være et problem, at silketrådene ikke er bøjelige og kan strækkes. De celler i sener, som skal bruges, kræver nemlig at blive strakt og bøjet for at være aktive. Edderkoppespind-protein har ikke dette problem. Man forestiller sig, at man i laboratoriet kan igangsætte processen, så celler, der indsættes i en sene, danner spindprotein. Når senen derefter implanteres, skal cellerne så fungere videre i kroppen og styrke senen ved fortsat at producere spindprotein (4969).

Måske vil man finde andre måder at producere edderkoppespind på. Randolph Lewis forsøger nu at indsætte gener for spindproteinerne i lucerne-planter. Dette kunne være en billig måde at producere kunstig edderkoppetråd på. Lucerneplanten blev valgt, fordi denne ærteplante naturligt danner store mængder protein (en fjerdedel af lucerneplantens vægt er protein).

I 2001 meddelte kinesiske gensplejsere, at de havde været i stand til at indsætte edderkoppegener i silkeorme. Generne blev indført i befrugtede æg af silkesommerfuglen. Lu Changde fra det biokemiske institut i Shanghai sagde, at det var resultatet af 4 års arbejde. Man mangler stadig at gøre silken stærk. (Iøvrigt har kinesiske gensplejsere indsat kaningener i bomuldsplanter, som derved dannede bomuldsfibre, der var “så bløde som kaninhår”(4940)).

I juni 2006 fik Nexia USA-patent på metoder og apparatur til at spinde edderkoppespind og silkeormespind, som er produceret i transgene dyr og planter(4953). Men trods patentet har spinding af edderkoppespind vist sig vanskeligt, og i 2003 lukkede Nexia sin gedefarm i Plattsburg ved New York, men holder dog gederne i live et andet sted. Firmaet brugte herefter ikke megen energi på edderkoppespindene, men langt mere på et andet protein i gedemælk. Dette protein, Protexia, er et enzym, som kan nedbryde nervegasser i blodet efter et kemisk angreb(4954).

Artiklen her bragtes i BioNyt nr. 136 s.8 (marts 2007)

Tegn abonnement på

BioNyt Videnskabens Verden (www.bionyt.dk) er Danmarks ældste populærvidenskabelige tidsskrift for naturvidenskab. Det er det eneste blad af sin art i Danmark, som er helliget international forskning inden for livsvidenskaberne.

Bladet bringer aktuelle, spændende forskningsnyheder inden for biologi, medicin og andre naturvidenskabelige områder som f.eks. klimaændringer, nanoteknologi, partikelfysik, astronomi, seksualitet, biologiske våben, ecstasy, evolutionsbiologi, kloning, fedme, søvnforskning, muligheden for liv på mars, influenzaepidemier, livets opståen osv.

Artiklerne roses for at gøre vanskeligt stof forståeligt, uden at den videnskabelige holdbarhed tabes.