Les scientifiques tournent la soie d'araignée synthétique comme tissu du futur
Les araignées donnent à certaines personnes les Heebie-Jeebies, mais les arachnides de tissage Web produisent un matériau unique et polyvalent qui pourrait être le textile du futur.
Ils font tourner une soie aussi forte que l'acier, incroyablement élastique et respectueuse de l'environnement.
Des matériaux médicaux aux pièces automobiles, les applications de ce matériel merveilleux sont infinies-mais Le produire en vrac est délicat.
Les tentatives de cultiver des araignées pour leurs fils ont généralement mal tourné en grande partie parce que les araignées sont des cannibales territoriales farouchement et les répliques d'araignées cultivées en laboratoire ont eu du mal à correspondre à la force de la vraie chose – jusqu'à maintenant.
Une équipe de scientifiques japonais a finalement démêlé le mystère de la façon dont les araignées tournent les fils super fortes et peuvent recréer le processus avec des matériaux synthétiques.
Avec des entreprises biotechnologiques désireuses de produire en masse ces soies synthétiques comme alternatives durables au nylon, au polyester et à d'autres tissus dérivés du pétrole, l'avenir des textiles d'araignée semble soyeux.
Douses d'émerveillement
Spider Silk a une combinaison unique de résistance et d'élasticité en traction qui intrigue les scientifiques depuis des siècles.
Les arachnides produisent plusieurs types de soie à différentes fins, notamment la création de toiles, l'emballage des proies, la protection de leur progéniture et l'échappement des prédateurs.
Ces soies sont toutes distinctes les unes des autres et sont produites dans différentes glandes.
De ces variétés, les «draglines», que les araignées utilisent pour se balancer et se déplacer, sont particulièrement attrayantes pour les chercheurs.
Les draglines auraient une résistance à la traction dépassant 1 gigapascal, qui est comparable à l'acier, et plus de deux fois plus forte que la soie de ver à soie.
De plus, les draglines sont difficiles, capables d'absorber deux fois plus d'énergie avant de casser le nylon, qui est parmi les matériaux les plus forts.
L'idée de mettre ce matériel merveilleux à une utilisation pratique n'est pas nouveau.
Un chercheur a fabriqué une paire de gants et d'autres éléments utilisant de la soie d'araignée au début du XVIIIe siècle en France, et des tissus en soie d'araignée naturellement dorée faisaient partie des expositions de l'Exposition de Paris de 1900.
Bien que les tentatives de cultiver des araignées comme les vers à soie se soient révélées peu pratiques, la production de masse de soie d'araignée synthétique est devenue un Saint Graal pour les scientifiques matériels.
Les chercheurs ont identifié les principales protéines qui composent les fibres de soie d'araignée et ont développé des micro-organismes génétiquement modifiés qui peuvent produire ces protéines.
La soie d'araignée artificielle fabriquée de cette manière a une empreinte carbone nettement plus faible que les tissus à base de polyester, de nylon ou de plantes ou d'animaux.
Cependant, alors que les protéines cultivées en laboratoire imitaient la structure et les propriétés de la soie d'araignée naturelle, les fils synthétiques étaient sensiblement moins durs, car les scientifiques ne comprenaient pas pleinement comment le processus de rotation transforme les protéines de soie naturelles à l'intérieur du corps d'une araignée d'un état liquide en fibres solides.
La grande percée
Une équipe de recherche japonaise dirigée par Keiji Numata, professeur de chimie polymère à l'Université de Kyoto, a finalement craqué ce code.
En 2024, l'équipe de Numata est devenue la première au monde à reproduire artificiellement le processus de transformation complexe, sans savoir comment les protéines se sont déposées dans les principaux glandes ampullées des araignées se solidifient en fibres lorsqu'ils sont libérés de leurs conduits en rotation.
La découverte a montré que les ions phosphates jouent un rôle crucial dans la collecte des molécules de protéines pour former de petits granules dans les régions supérieures de la principale glande ampullée de l'araignée.
Au fur et à mesure que ces protéines se déplacent dans le conduit de rotation, elles sont rejoies par des ions hydrogène, qui les font se solidifier et se transformer en une structure de type maillage qui rend la soie d'araignée si forte et flexible.
« Nous comprenons maintenant au niveau moléculaire comment Spider Silk, un matériau polymère naturel, est fabriqué à l'intérieur du corps de l'araignée, afin que nous puissions appliquer ces connaissances à la conception de matériaux synthétiques », a déclaré Numata.
La soie d'araignée synthétique a une large gamme d'applications potentielles, y compris les utilisations médicales et comme matériau d'absorption des chocs dans les véhicules et les matériaux structurels pour les bâtiments.
Cependant, le matériau présente un inconvénient qui doit être traité avant de pouvoir atteindre son plein potentiel: une vulnérabilité à l'eau et à l'humidité.
Les fils de soie d'araignée s'étendent lorsqu'ils absorbent l'eau et rétrécissent lorsqu'ils sèchent.
Numata vise à surmonter cet obstacle en modifiant les séquences d'acides aminés des protéines de la soie d'araignée, pour rendre les fils synthétiques plus résistants à l'eau et mieux adaptés à une utilisation pratique.
« Un jour, nous pourrions proposer une soie d'araignée artificielle qui pourrait surpasser la soie d'araignée naturelle en raison de séquences d'acides aminés modifiées », a-t-il déclaré.
Tissus fermentés
Spiber Inc., une startup de biotechnologie basée à Yamagata fondée en 2007, a également dû surmonter «le problème de l'eau», pour produire en masse de la soie d'araignée artificielle pour une utilisation pratique.
Spibre a développé une méthode pour produire des protéines de type Spider-Silk appelé Qmonos, en concevant de nouvelles séquences d'acides aminés de protéine de soie d'araignée et en introduisant l'ADN altéré en micro-organismes qui peuvent produire ces protéines.
Cependant, Qmonos, du nom d'un mot japonais pour les toiles d'araignée, «Kumonosu», est restée sensible à l'humidité car les modifications de l'entreprise aux séquences d'ADN étaient minimes.
Spibre a amélioré en modifiant les séquences d'acides aminés des protéines pour améliorer la réponse du matériau à l'eau.
Spibre Produit en masse la soie synthétique en nourrissant le sucre à base de plantes à ses micro-organismes bio-ingéniers, qui créent les protéines de la soie via un processus de fermentation.
Le matériau produit avec cette méthode, appelée protéine brassée, a été utilisé pour fabriquer des vêtements, des sièges automobiles et d'autres produits.
Un autre avantage de la soie d'araignée synthétique est son empreinte à faible teneur en carbone par rapport au nylon et au polyester, qui sont couramment utilisées pour fabriquer des vêtements, des sacs et des chaussures.
La conférence des Nations Unies sur le commerce et le développement a qualifié l'industrie des vêtements et de la mode le deuxième plus grand pollueur après l'industrie du pétrole.
L'industrie de la mode utilise environ 93 milliards de mètres cubes d'eau par an, suffisamment pour répondre aux besoins de 5 millions de personnes.
On estime que deux à 8% des émissions mondiales de gaz à effet de serre proviendront de la fabrication de vêtements, selon le programme des Nations Unies pour l'environnement.
De plus, les fibres synthétiques fabriquées à partir de plastiques ne sont pas biodégradables, persistant dans l'environnement pendant des décennies. Les vêtements de lavage en matières plastiques libèrent également de minuscules fibres appelées microplastiques qui polluent la mer.
Bien que les fibres naturelles telles que le coton soient biodégradables, les produire nécessite de grandes quantités d'eau et de pesticides. Une certaine production de coton provient de régions avec des ressources en eau limitées, où les effets du changement climatique peuvent être dévastateurs.
En revanche, la protéine infiltrée est fabriquée à partir de sources renouvelables et a moins d'impact environnemental tout au long de son cycle de vie – de la production à l'élimination, selon Spibre.
La production de protéines d'araignée artificielle émet 79% de gaz à effet de serre en moins et utilise 97% moins d'eau que la production de fibres de cachemire, a ajouté la société.
Cependant, la soie d'araignée synthétique est coûteuse à produire, du moins pour l'instant.
Spibre essaie de surmonter cet obstacle en concevant une méthode pour produire des protéines plus synthétiques avec des quantités réduites de sucre.
« Nous travaillons à fournir un matériau de haute qualité et à faible coût en améliorant la productivité des micro-organismes producteurs de soie », a déclaré un responsable de Spiber.
