Les chercheurs ont réussi à créer un appareil qui tisse de la soie d’araignée artificielle qui correspond étroitement à ce que les araignées produisent naturellement. La glande à soie artificielle a pu recréer la structure moléculaire complexe de la soie en imitant les divers changements chimiques et physiques qui se produisent naturellement dans la glande à soie d’une araignée.
Cette innovation respectueuse de l’environnement constitue un grand pas vers la durabilité et pourrait avoir un impact sur plusieurs industries. L’étude, dirigée par Keiji Numata du RIKEN Center for Sustainable Resource Science au Japon, avec des collègues du RIKEN Pioneering Research Cluster, a été publié dans la revue Communications naturelles.
Célèbre pour sa résistance, sa flexibilité et sa légèreté, la soie d’araignée a une résistance à la traction comparable à celle de l’acier du même diamètre et un rapport résistance/poids sans précédent. De plus, il est biocompatible, ce qui signifie qu’il peut être utilisé dans des applications médicales, ainsi que biodégradable. Alors pourquoi tout n’est-il pas fait de soie d’araignée ? La récolte à grande échelle de la soie des araignées s’est révélée peu pratique pour plusieurs raisons, laissant aux scientifiques le soin de développer un moyen de la produire en laboratoire.
La soie d’araignée est une fibre biopolymère fabriquée à partir de grosses protéines aux séquences très répétitives, appelées spirroïnes. À l’intérieur des fibres de soie se trouvent des sous-structures moléculaires appelées feuilles bêta, qui doivent être correctement alignées pour que les fibres de soie possèdent leurs propriétés mécaniques uniques. Recréer cette architecture moléculaire complexe a déconcerté les scientifiques pendant des années. Plutôt que d’essayer de concevoir le processus à partir de zéro, les scientifiques de RIKEN ont adopté une approche biomimétiste.
Comme l’explique Numata : « Dans cette étude, nous avons tenté d’imiter la production naturelle de soie d’araignée en utilisant la microfluidique, qui implique l’écoulement et la manipulation de petites quantités de fluides à travers des canaux étroits. En effet, on pourrait dire que la glande à soie de l’araignée fonctionne comme une sorte de dispositif microfluidique naturel.
Le dispositif développé par les chercheurs ressemble à une petite boîte rectangulaire dans laquelle sont creusés de minuscules canaux. La solution précurseur de spidroïne est placée à une extrémité puis tirée vers l’autre extrémité au moyen d’une pression négative.
Lorsque les spirdroines circulent dans les canaux microfluidiques, elles sont exposées à des changements précis de l’environnement chimique et physique, rendus possibles par la conception du système microfluidique. Dans des conditions appropriées, les protéines s’auto-assemblent en fibres de soie avec leur structure complexe caractéristique.
Les chercheurs ont expérimenté pour trouver ces conditions correctes et ont finalement pu optimiser les interactions entre les différentes régions du système microfluidique. Entre autres choses, ils ont découvert que l’utilisation de la force pour faire passer les protéines ne fonctionnait pas ; ce n’est que lorsqu’ils ont utilisé une pression négative pour extraire la solution de spidroïne que des fibres de soie continues avec l’alignement correct des feuilles bêta ont pu être assemblées.
« Il était surprenant de constater à quel point le système microfluidique était robuste, une fois les différentes conditions établies et optimisées », explique le scientifique principal Ali Malay, l’un des co-auteurs de l’article. « L’assemblage des fibres était spontané, extrêmement rapide et hautement reproductible. Ce qui est important, c’est que les fibres présentaient la structure hiérarchique distincte que l’on retrouve dans les fibres de soie naturelle. »
La possibilité de produire artificiellement des fibres de soie à l’aide de cette méthode pourrait offrir de nombreux avantages. Non seulement cela pourrait contribuer à réduire l’impact négatif de la fabrication textile actuelle sur l’environnement, mais la nature biodégradable et biocompatible de la soie d’araignée la rend idéale pour les applications biomédicales, telles que les sutures et les ligaments artificiels.
« Idéalement, nous voulons avoir un impact réel », déclare Numata. « Pour que cela se produise, nous devrons étendre notre méthodologie de production de fibres et en faire un processus continu. Nous évaluerons également la qualité de notre soie d’araignée artificielle à l’aide de plusieurs paramètres et apporterons d’autres améliorations à partir de là. »
Plus d’information:
Jianming Chen et al, Réplication de l’auto-assemblage de soie d’araignée par cisaillement grâce à la microfluidique, Communications naturelles (2024). DOI : 10.1038/s41467-024-44733-1