De beloftes van spinzijde zijn groot: sterker, lichter en flexibeler dan staal, en tevens biocompatibel. Nederlandse en Vlaamse onderzoekers en ondernemers werken gestaag verder om dit kunstje van moeder natuur buiten de spin te herhalen.

‘AMSilk is vooralsnog het enige bedrijf dat op grotere schaal spinzijde weet te produceren, maar qua treksterkte en elasticiteit haalt hun materiaal het nog niet bij de mechanische eigenschappen van natuurlijk spinzijde’, zegt Jalila Essaïdi, spinzijdedeskundige en oprichter van Inspidere. Het Duitse AMSilk zet genetisch gemodificeerde E. coli-bacteriën in om de eiwitvezels te produceren voor cosmeticadoeleinden. Volgens ingewijden zou het een zijdeachtige textuur meegeven aan de huid en het haar, en is het bovendien antiallergeen.

Aangezien spinnen zich niet laten farmen, zijn ontwikkelaars voor hun productie aangewezen op genetisch gemodificeerde bacteriën, gisten, zijdewormen, geiten of planten. En als er één ding duidelijk is na pak ‘m beet twee decennia ontwikkeling, is dat het spinzijde-eiwit van meer dan 200 kiloDalton groot zich niet zomaar laat reproduceren.

Essaïdi haalde zelf in 2009 het wereldnieuws met een kogelwerende huid die bestond uit een matrix van spinzijde, afkomstig van gekloonde geiten, en het zogenoemde full thickness model van het LUMC. Dat laatste is een combinatie van cellen die de menselijke huid benadert. ‘In samenwerking met Randolph Lewis van de Utah State University wisten we een articificiële huid van 5 cm² te fabriceren die een kogel kan tegenhouden.’

Deze bulletproof human skin (zie foto) laat de potentie van spinzijde zien en vormde voor Essaïdi een proof-of-concept voor haar werkelijke dromen: een hoogwaardig alternatief creëren voor leer en medische toepassingen. Daartoe richtte ze in 2015 Inspidere op. ‘Spinzijde is naast sterk, flexibel en licht ook biocompatibel en bioafbreekbaar. Dat maakt het ideeal voor bijvoorbeeld de behandeling van brandwonden en doorligplekken.’ Eerder al kreeg de productie van geneesmiddelen in geitenmelk de goedkeuring van de FDA. Essaïdi: ‘Daardoor kunnen we een korter traject bewandelen om medische toepassingen van onze spinzijde toegelaten te krijgen.’

De juiste zwelling

Giuseppe Portale van de Rijksuniversiteit Groningen werkt samen met zijn oud-collega Andreas Herrmann (nu RWTH Aachen University) aan het gecontroleerde ontwerp van sterkere protongeleidende polymeren. Voor een polymeerwetenschapper als Portale vormen recombinant-

DNA-technologie en eiwitengineering een zeer welkome aanvulling op de klassieke polymeersynthese. ‘Zonder die technologie hadden we ons spider-E-materiaal niet kunnen maken’, zegt hij. De basis voor dit materiaal? Uiteraard de eiwitvezels van spinzijde.

Kenmerkend voor die structuur zijn de onderling met elkaar verbonden netwerken van β-sheet nanokristallen, die zorgen voor de trekkracht. Portale: ‘Onze toevoeging bestond uit het koppelen van carbonzuurgroepen aan de oppervlakte van deze β-sheet kristallen. In een gehydrateerde staat zwelt dit spider-E-materiaal op waardoor protonen zich kunnen bewegen in een gepercoleerd netwerk van mobiele watermoleculen.’

Het voorlopige eindresultaat is een materiaal van 1 cm2 met een beduidend hogere geleidbaarheid dan vergelijkbare bio-geïnspireerde polymeersystemen. Om precies te zijn: 18,5 mS/cm bij een relatieve vochtigheid van 90 %. ‘Daarmee komt het in de buurt van niet-biocompatibele synthetische polymeren’, duidt Portale. Het onderzoek werd medio vorig jaar gepubliceerd in Science Advances.

In een vervolgstap wil de van origine Italiaanse onderzoeker de mechanische stabiliteit van zijn membraan nog verder verhogen. ‘Bij een RH van 90 % werkt het spider-E-materiaal optimaal, maar doop je het in water dan zwelt het overmatig en verliest het zijn mechanische integriteit.’ Een waterrobuust systeem is essentieel als je deze membranen denkt te kunnen gaan toepassen in batterijen of brandstofcellen; de kunst wordt de β-sheet verder te crosslinken.

Een andere voorwaarde is voldoende membraanoppervlak. Herrmann: ‘We moeten toe naar minimaal 5 cm2 membraan en een productie van grammen. Bakkersgist leent zich hier beter voor, omdat het tot grotere dichtheden kan groeien en geschikter is voor fermentatie.’

Een veelgehoord obstakel in het kloneren is de aanwezigheid van de vele repeterende aminozuurmotieven van alanine en glycine; die vormen de blauwdruk voor de β-sheets. Om dit probleem te omzeilen gebruikt Herrmann zogenoemde recursive directional ligation. ‘Je werkt daarbij met een korter DNA-segment van zo’n honderd nucleotiden dat je met een truc door het plasmide tot de gewenste lengte kunt laten uitgroeien.’

Bio-extrusie

Linda Dijkshoorn is ceo van EV Biotech en meent dat de biotechindustrie ontwikkelingskansen misloopt door niet voldoende op computational modelling in te zetten. Spinzijde is een van de vier proof-of-concept-strains van deze in 2017 opgerichte start-up. Dijkshoorn: ‘Met algoritmes kun je bijvoorbeeld voorspellen welk genetisch script je én tot expressie kunt brengen én je het dichtst bij de oorspronkelijke structuur van spinzijde brengt. Dat levert je als ontwikkelaar veel tijdswinst op.’ EV Biotech is volop aan het experimenteren, in silico en in vivo, om de meerwaarde van zijn aanpak aan te tonen.

Het spinningsproces is van cruciaal belang voor de uiteindelijke kwaliteit van spinzijde. Met transgene zijdewormen kun je het dichtst in de buurt van natuurlijk spinzijde komen. Tom Gheysens van de Universiteit Gent gebruikt de cocons van Bombyx mori voor zijn onderzoek naar bio-extrusie. ‘Een enkele cocon omvat een kilometer draad, wat een mooie basis vormt om te onderzoeken hoe je bij kamertemperatuur watergebaseerd kunt extruderen, net als zijdewormen en spinnen doen.’

De Gentse onderzoeker kwam erachter dat als je vanuit een geconcentreerde zoutoplossing – waarin hij de cocons oplost – extrudeert bij een relatieve luchtvochtigheid van 1 % de eiwitten zich niet volledig tot β-sheets vouwen. Gheysens: ‘Ook vindt er geen crosslinking plaats. Daardoor kun je met relatief weinig energie en zout het geheel ontvouwen, wat ook voorkomt dat je eiwitten kapot maakt. Zodoende krijgen we de volledige eiwitketen in handen, die identiek is aan de keten zoals die was voordat de zijdeworm aan het spinnen begon.’ Het leverde de onderzoekers ook inzicht op in de cruciale rol die water speelt in de zelfsassemblage van β-sheets in de eiwitvezels.

Gheysens weet uit ervaring dat er aan toepassingen geen gebrek is. Tijdens zijn promotie in de Oxford Silk Group van Fritz Vollrath – bekend om de vele spin-offs zoals Spintex – werkte hij al mee aan een prototype scaffold op basis van spinzijde waarmee je zenuwen in de poot van een rat kunt laten teruggroeien. En bij zijn vorige werkgever ESA ontwikkelde Gheysens, wederom in samenwerking met Vollrath, een prototype optische vezel voor sensordoeleinden.

Marketing

In de commerciele praktijk ziet Gheysens dat producten nog onvoldoende kwaliteit hebben. ‘Zo ontwikkelt het Amerikaanse Bolt Threads kleding op basis van spinzijde, waarbij je ziet dat de draden nog te veel water aantrekken waardoor de kwaliteit snel afneemt.’ Essaïdi ziet ook dat ondernemers te snel, omwille van de marketing, naar de markt gaan met een ondermaats product. ‘Terwijl er aan de andere kant wetenschappers zijn die maar blijven doorontwikkelen en het lab niet uitkomen. In die samenwerking valt nog een wereld te winnen.’