Les araignées transforment le liquide en une fibre solide et extensible en le pressant à travers un petit espace qui aide les molécules de protéines à se connecter les unes aux autres.

Introduction

Perchée sur une feuille couverte de rosée à l'aube d'un été chaud, une araignée tissant des orbes commence son travail pour la journée. En repoussant les protéines de son corps, elle produit une fine fibre qui adhère à la surface de la feuille. Grimpant de feuille en feuille, l'araignée crée une toile qu'elle utilisera pour piéger les insectes à manger.

Petites et souvent hors de vue, les araignées peuvent sembler un peu plus qu'une note de bas de page décorative à la nature. En réalité, ils font partie des ingénieurs les plus remarquables de la nature. Pour créer les toiles qu'ils utilisent pour piéger les repas, ils transforment un liquide en une fibre bien plus fine qu'un cheveu humain et cinq fois plus résistante que l'acier. Plus surprenant encore, ces fibres sont produites instantanément, à partir du propre corps des araignées, en utilisant uniquement les matières premières qu'elles obtiennent des insectes et autres proies qu'elles attrapent.

Spider silk
Image: G. Inondations hivernales / Wikimedia Commons / CC BY SA - Attribution Creative Commons + Partage dans les mêmes conditions

Pour fabriquer de la soie, une araignée extrude un liquide à travers de minuscules tunnels, le transformant en un solide dans le processus.

La stratégie

À première vue, filer du fil de soie d'araignée peut ne pas sembler un exploit remarquable. La microscopie et la chimie ont permis aux humains de regarder de plus près et de le voir pour la merveille naturelle qu'il est. D'une part, les araignées stockent le s qui composent la fibre sous forme liquide à l'intérieur de leur corps, les empêchant de s'y durcir en une fibre. Deuxièmement, la fibre elle-même prend une variété de traits, avec des variations d'épaisseur, d'adhérence, d'extensibilité et d'autres caractéristiques selon la façon dont la fibre est «pultrudée» ou tirée du corps d'une araignée lorsque l'araignée s'éloigne d'une extrémité coincée. à une surface.

Comment font les araignées ? Tout cela a à voir avec la conception des molécules de protéines de la soie, les solutions dans lesquelles elles sont stockées et la façon dont elles sont moulées lorsqu'elles traversent les conduits de soie d'une araignée.

Bien que les protéines de soie varient d'une espèce d'araignée à l'autre, elles semblent toutes partager une région particulièrement importante appelée "pont de sel". Les ponts salins sont des paires de régions protéiques chargées de manière opposée et donc attirées l'une vers l'autre. Les ponts salins aident à stabiliser les protéines et à les maintenir repliées. À des niveaux de pH inférieurs, le pont salin devient instable et la structure protéique peut commencer à se déployer.

Lorsque la soie liquide est tirée de l'intérieur de l'araignée, elle passe par le conduit de filage, qui est un tunnel étroit. Les grosses protéines pliées ne peuvent pas passer à travers, elles doivent donc être dépliées. Au fur et à mesure que la protéine se déplace dans le conduit, l'enzyme anhydrase carbonique aide à créer un gradient de pH qui est lentement abaissé d'environ 8 à environ 5.7 (devenant plus acide). Il le fait en catalysant la conversion du dioxyde de carbone et de l'eau en acide carbonique, et vice versa. Cette diminution du pH provoque la rupture des ponts salins. Cela permet à la protéine de commencer à se déployer dans une configuration plus linéaire qui peut plus facilement se déplacer à travers le conduit de rotation.

Le conduit étroit crée également des forces de cisaillement qui forcent physiquement les molécules de protéines dépliées dans des formes allongées qui peuvent plus facilement s'aligner parallèlement les unes aux autres. Il s'agit d'une partie essentielle du processus de filature, car elle permet à la solution visqueuse remplie de protéines de s'écouler plus facilement à travers le conduit de filature, réduisant ainsi les besoins énergétiques pour la filature. Certaines sections de la soie se connectent plusieurs fois avec des liens se formant entre elles comme des échelons entre les deux côtés d'une échelle (une structure appelée «feuille bêta»). Les autres sections se connectent uniquement de bout en bout. La structure résultante est alors à la fois très solide et très extensible, donnant à la soie finie ses fameuses propriétés, parfaites pour capturer le dîner.

Les applications potentielles de la capacité d'une araignée à transformer un liquide en une fibre durable sont pratiquement infinies. 

Le potentiel

Les applications potentielles de la capacité d'une araignée à transformer un liquide en une fibre durable sont pratiquement infinies. Plus directement, le processus pourrait être appliqué pour fabriquer du fil pouvant être tissé dans des tissus pour vêtements, articles ménagers, etc., sans avoir besoin de températures élevées, de produits chimiques agressifs ou d'autres intrants ou sous-produits non respectueux de l'environnement.

Étant donné que de nombreux détails du processus de pultrusion - vitesse, environnement chimique, etc. - affectent les caractéristiques du produit final, la production de soie d'araignée peut également être appliquée à la fabrication de fibres conformes à des spécifications très particulières nécessaires à des utilisations techniques, telles que la filtration de l'eau. . La capacité de fabriquer une fibre solide qui peut être facilement moulée dans des formes spécifiques pourrait être appliquée à la fabrication d'échafaudages pour les organes artificiels.

Enfin, le processus global de fabrication des fibres pourrait être programmé dans des robots, leur permettant d'utiliser les conditions environnementales pour guider la production de fibres variables avec une intervention humaine minimale.

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Dernière mise à jour le 15 juin 2021