Annons

Imse vimse – men vem ska spinna tråden?

I sin forskning om spindeltråd har Anna Rising bland annat hittat ett läkemedel som räddar livet på för tidigt födda barn. Här berättar hon om hur spindeltråd är uppbyggt, hur spindlar spinner och hur vi människor kan lära oss att ta till vara denna superfiber och använda den till allt från lätta gympaskor och kläder till läkemedel mot chocklunga och lunginflammation. 

Annons

Publicerad:

2020-07-18

”Vår tid har omnämnts som en gyllene tidsålder för material­utveckling. Vårt samhälle står inför en stor omställning, där vi kommer tvingas att gå från dagens oljebaserade material till att använda oss av förnybara råvaror där produkterna kan ingå i ett naturligt kretslopp. Transformationen utgör en stor drivkraft för inno­vation. Genom att förbättra olika material kan vi åstadkomma min­dre energikrävande transporter, mer hållbara konstruktionsmaterial, effektivare framställning, lagring och återvinning av energi, snabbare teknisk utveckling och till och med bättre sjukvård. Föga förvånande har därför forskningen kring nya högpresterande substanser som nya legeringar, nanomaterial, superstarka kompositer och miljövänliga material blivit en viktig samhällsfråga.

Spindeltråd är ett av världens mest berömda, mytomspunna och eftertraktade material. Den tunna tråden som kommer ut ur spindelns kropp syns knappt för blotta ögat men är en av de starkaste fibrerna vi känner till. Spindeltråd är också ett lätt material: den franska 1700­-tals­ drottningen Marie­ Antoinette, känd för sitt liv i extremt överflöd, hade vackra handskar tillverkade av spindeltråd. De vägde endast 21 gram vilket är en tiondel av vad de skulle vägt om man tillverkat dem av silkesmasksilke. Spindlarna spinner sin tråd utan synbar ansträngning och i hög hastighet, flera meter per sekund. Att kunna producera spindeltråd på konstgjord väg har länge varit en ouppnåelig dröm, men på senare tid har det blivit alltmer tydligt att drömmen kan bli sann.

Den naturliga fibern

När det kommer till att skapa högpresterande fibrer står spindlar i en klass för sig. Dessa fantastiska djur har under 400 miljoner år gjort spinnandet av superstarka och miljövänliga fibrer till en skön konst. Spindlar kan spinna upp till sju olika typer av silke. Av dessa klassifice­ras fem som fibrer, medan de två övriga fungerar mer som klister. Den starkaste fibern är flyktlinan, som spindeln kan fira sig ner med. Den används även för att göra ramverket i nätet. Två andra trådar används för förstärkning av nätet och för att göra dess mycket tänjbara fångst­spiral. Ytterligare andra fibrer används för att slå in byten, tillverka äggsäckar och när hanen ska leverera spermier till honan. Vissa av de här trådarna är starkare än de starkaste fibrerna människan kan göra och de kan absorbera mer energi än någon annan fiber man känner till. Spindeltråd kan till och med ha bättre mekaniska egenskaper än kevlar, en oljebaserad fiber som ofta används i till exempel skottsäkra västar. Till skillnad från kevlar produceras spindeltråd från förnyelsebara be­ståndsdelar utan behov av starka kemikalier eller höga temperaturer. Detta i kombination med trådens fantastiska mekaniska egenskaper gör spindeltråd till ett attraktivt material för många olika användningsområden. Dessutom tror man att spindeltråd skulle kunna användas för medi­cinskt bruk. I årtusenden har spindeltråd använts inom folkmedicin för att underlätta sårläkning och hindra blödningar, medan moderna vetenskapliga studier visar att spindeltråd också kan underlätta läkning av nerver. Nyttan av att kunna producera konstgjord spindeltråd, en biologiskt nedbrytbar och miljövänlig superfiber, är därför ganska lätt att se.

Varför är det så svårt att producera spindeltråd?

Det enklaste sättet att producera spindeltråd kan ju tyckas vara att an­vända sig av spindlar. På Madagaskar har man etablerat spindelfarmer där man helt enkelt föder upp spindlar som får göra sina nät på ramar som man sätter i långa rader. Regelbundet tar man spindlarna från nä­ten, spänner fast dem och drar ut tråden, som sedan samlas upp på tråd­rullar. Det kanske låter svårt, men om man försiktigt pillar en spindel på spinnvårtorna som sitter längst bak på spindeln brukar man få med sig en tråd och så länge man drar tråden kan spindeln inte sluta spinna. På så sätt kan man få något hundratal meter tråd från varje spindel. Det finns en mycket vacker och välkänd duk som vävts av spindeltråd som människor dragit från spindlar på det här sättet. Duken är ca 1 x 3 meter, och det tog 70 personer fyra år att tillverka den. Man använde en miljon spindlar för att få ihop tillräckligt med tråd för att det skulle räcka till duken, vilket förstås är långt ifrån en hållbar storskalig pro­duktionsmetod. Ett annat problem är att spindlar är rovdjur och bara tar levande byten vilket gör dem svåra att föda upp. Dessutom äter de upp varandra, så man skulle ha en stadigt minskande produktionsvo­lym. För att kunna producera spindeltråd på konstgjord väg måste man därför kunna producera tråden utan att använda spindlar och det är det min forskning handlar om.

Spindeltråd består av proteiner som är mycket stora och repetitiva (samma aminosyrasekvens återkommer många gånger). Förenklat kan man säga att de ser ut som ett långt snöre (den repetitiva delen) med en boll i vardera änden. Som alla proteiner tillverkas spindeltrådspro­teinet i celler som innehåller gener som fungerar som en instruktions­bok och berättar hur proteinerna ska se ut. Språket är universellt i den meningen att man kan ta en gen från en spindel och sätta in den i en bakterie och då kommer bakteriens maskineri att kunna tillverka proteinet. För att producera protein i industriell skala använder man sig vanligen av jästceller eller bakterier, som kan producera proteinet billigt och i stora mängder. Den här tekniken används till exempel för framställning av insulin, som används för att behandla diabetes, och faktor xii1 som ges till blödarsjuka (Plasmaproteinet Koagulationsfaktor xii är en viktig del av blodkoaguleringen, det som sker när blodet ”stelnar” och det slutar blöda). Det har dock visat sig att både spindeltrådsgenerna och spindeltrådsproteinerna är svåra att hantera för bakterien eller jästcellen eftersom de är mycket långa och repetitiva.

Främst är det två problem som man stött på. För det första har man fått fram ganska blygsamma mängder spindeltrådsprotein. För det andra har de spindeltrådsprotein man tillverkat på det här sättet inte hållit sig i lösning, utan bildar olösliga klumpar. Forskare har därför försökt föra in spindeltrådsgener i andra värdsystem såsom däggdjursceller, växter och till och med möss och getter, vilka utsöndrar spindeltrådsproteinerna i mjölken. Trots dessa försök har problemen visat sig vara svåra att lösa.

En resa från Afrika till labbet

När jag började arbeta med att försöka göra konstgjord spindeltråd visste man inte hur spindeltrådsgenerna såg ut, man kunde inte pro­ducera lösliga spindeltrådsprotein och man hade heller inte kunnat spinna någon konstgjord tråd. Det första jag behövde var förstås en spindeltrådsgen, så jag tog reda på vilken spindel som, såvitt man visste på den tiden, spann den starkaste tråden. Det visade sig vara en spindel som finns på södra halvklotet, Euprosthenops australis. Nästa steg blev att hitta någon som kunde hjälpa mig att få fatt på de här spindlarna, så jag mejlade jag till alla spindel­intresserade människor jag kunde hitta, vilket blev ganska många. Det var bara ett fåtal som svarade mig, och en av dessa var Astri Leroy från Sydafrikanska Spindelklubben. Enligt henne visste man inte speciellt mycket om Euprosthenops, men troligtvis fanns de i vilt tillstånd i Sydafrika.

Jag blev ganska snart erbjuden att åka till Johannesburg för att träffa Astri och sedan följa med ut i vildmarken och jaga spindlar. Tillsammans jagade vi Euprosthenops i ett par veckor. Vi befann oss mitt ute i Sydafrikas vildmark bland lejon, noshörningar, leoparder och giftormar och letade efter en viss typ av spindel som ingen visste hur giftig den var. Det kan såklart vara ganska svårt att hitta spindlar i det vilda, men med Euprosthenops hade vi tur. De tillverkar nästan 2 meter långa nät och eftersom jakten pågick under den sydafrikanska våren var växtligheten sparsam vilket gjorde att näten syntes ganska väl. Nätet som Euprosthenops spinner ser ut som ett stort lakan som fästs i en buske eller lågt träd i ena änden och sedan smalnar av till en strut i andra änden. Struten leder ofta ner i en håla i marken och där nere sitter spin­deln och känner av när något landar i dess nät. Blixtsnabbt springer då spindeln ut och fångar sitt byte. Genom att spana efter näten hittade vi spindlarna och det gjorde att vi kunde fånga cirka 100 stycken.

De här spindlarna använde jag sedan, tillsammans med professor Jan Johansson, för att kartlägga hur spindeltrådsgenerna ser ut. Genom att klippa och klistra ihop delar av spindeltrådsgenen kunde vi få bakterier att producera ett spindeltrådsprotein som är något mindre än de riktiga spindeltrådsproteinerna. I gengäld kan bakterierna producera rikliga mängder lösligt protein. Det här var en stor framgång men fortfarande återstod problemet hur man spinner en tråd av proteinlösningen.

Att härma naturen

Den idag vanligaste metoden att spinna trådar från konstgjorda spin­deltrådsprotein är att först lösa proteinerna i starka lösningsmedel, eftersom de ju så lätt bildar klumpar som inte är vattenlösliga, och sedan spinna dom till fibrer genom att spruta ut lösningen i ett så kallat koagulationsbad. Den här metoden gör att proteinerna kladdar ihop på ett oordnat sätt, vilket i och för sig kan resultera i att man får fram konstgjorda fibrer, men de ingående proteinerna har inte bildat de naturliga strukturer som ses i spindlarnas trådar. I flyktlinan bildar proteinerna tätt packade strängar, kristallina (välordnade) delar, som med sina många kemiska bindningar ger tråden dess draghållfasthet. Däremellan återfinns ”resåren”, spiralformade och oordnade struktu­rer som ger tråden dess tänjbarhet. Just här i strukturen hos spindel­trådsproteinerna, ligger förklaringen till trådens ovanliga förmåga att vara både stark och tänjbar. För att få spindeltrådsproteinerna att fogas samman på ett korrekt sätt beslutade vi oss för att ta reda på vad som sker i spindeln steg för steg när tråden bildas och sedan försöka härma det i labbet.

Här spinner forskarna en konstgjord tråd. Proteinlösningen pumpas genom ett tunt glasrör med en öppning på ca 20-40 mikrometer ut i en vattenlösning med lågt pH varvid tråden bildas.

Bild: 
Marlene Andersson

Spindlar är mästare på att producera stora och kladdiga protein och att kunna hålla dessa i lösning vid enormt höga koncentrationer. De kan dessutom få lösningen att bilda en fiber inom bråkdelar av en sekund. Det här kräver såklart avancerade molekylära mekanismer.

Inuti spindlarnas bakkroppar finns det många spindeltrådskörtlar som används för att spinna de sju olika sorters tråd som spindeln behö­ver. Den högkoncentrerade ”råvaran”, spindeltrådsproteinerna, lagras alltså inuti körtlarna i form av en genomskinlig och trögflytande gel. Körtlarna sitter ihop med utförsgångar som leder till en spinnvårta på spindelns bakdel. Den gel­lika lösningen förvandlas i utförsgången till en solid fiber i en process som är otroligt effektiv, och spindeln kan spinna tråd lika fort som den faller. Bildandet av tråden måste styras av mycket precisa mekanismer eftersom fiberbildningen inte får ske tidigare/längre upp i körteln. Detta skulle sätta igen körteln, orsaka stopp och göra det omöjligt för spindeln att spinna sin tråd. Vi har således försökt ta reda på vilka förändringar som sker utmed körteln, och hur dessa påverkar spindeltrådsproteinerna längs vägen. Den största förändringen som sker utmed körteln är att det blir surare och surare eftersom pH sjunker samt att proteinerna utsätts för så kallade skjuvkrafter när de passerar genom den avsmalnande utförsgången. Som svar på det sjunkande pH­värdet och skjuvkraftens påverkan genomgår spindeltrådsproteinerna flera förändringar under färden mot spinnvårtan. Det är främst de bolliknande strukturerna i ändarna av proteinet som styr fiberbildningen genom att koppla ihop protein­kedjorna i stora nätverk och samtidigt underlättar de för den repetitiva mittendelen att gå från en oordnad form till mycket tätt packade och ordnade strukturer. Genom att pumpa proteinlösningen som vi produ­cerat i bakterierna genom mycket tunna glaskapillärer, som liknar den avsmalnande utförsgången, och samtidigt göra lösningen surare, har vi nyligen för första gången kunnat spinna konstgjord spindeltråd efter samma principer som spindeln använder!

Både cool och livsavgörande

Konstgjorda spindeltrådar har många olika potentiella användnings­områden. Nyligen visade ett japanskt bolag, Spiber Inc, tillsammans med North Face att de kunde tillverka en jacka av konstgjord spindel­tråd. Adidas har också tillsammans med det tyska företaget AMSilk gjort en sportsko med ovandel av spindeltråd. Bolt Threads, ett företag baserat i Kalifornien, har sålt slipsar tillverkade av konstgjord spin­deltråd och siktar nu på att tillverka fler artiklar för modeindustrin. Medicinska produkter såsom silikonimplantat täckta med en hinna av konstgjord spindeltråd ska vara i klinisk prövning. Ytterligare ett in­tressant användningsområde är läkning av nervskador. När en nerv går av skickar nervändarna ut små utskott för att försöka nå den förlorade delen av nerven. De här utskotten når bara några få millimeter och har de inte hittat den förlorade änden ger nervcellen upp och nerven för­lorar sin funktion. Detta gör att det är svårt att få nervskador att läka. En tysk forskargrupp har visat att om en nerv har drabbats av en stor skada kan man få nervändarna att hitta tillbaka till varandra genom att lägga spindeltråd där nerven är skadad, till och med när glappet är så stort som 6 cm. Nervcellerna ger då inte upp, utan sträcker sig utmed fibrerna och når längre. Fibern fungerar alltså som en vägvisare och hjälper nervcellerna att sträcka sig i rätt riktning. Kanske kan man på det här sättet i framtiden åstadkomma läkning av till exempel rygg­märgsskador.

Oväntade upptäckter och vikten av nyfikenhetsdriven grundforskning

En stor del av forskningen som lett fram till att bolag kan kommersia­lisera konstgjord spindeltråd handlar om att förstå hur spindlar spin­ner sin tråd och hur spindeltrådsproteinerna ser ut och fungerar, det vill säga grundvetenskaplig nyfikenhetsdriven forskning. Att den här forskningen lett fram till att man kan spinna konstgjord spindeltråd är kanske inte så förvånande, men i det grundläggande arbetet gjorde vi dessutom en helt oväntad upptäckt! Genom att förstå hur spindeltråds­ proteinerna och spinningen fungerar har vi uppfunnit ett nytt sätt att ta fram proteinläkemedel.

Som jag beskrivit tidigare ser spindeltrådsproteinet ut som ett långt snöre med en boll i vardera änden. Det här, om ni minns, är ett mycket stort och lite kladdigt protein som gärna vill klumpa ihop sig med andra spindeltrådsprotein och bilda en fiber. Vi har kommit på att den första bollen, den som håller resten av proteinet lagrad som en gel i körteln, också fungerar lite som en flytboj. När vi insåg det tänkte vi att vi kanske skulle kunna använda den första bollen, och hänga på ett annat protein som är svårt att producera, som till exempel ett protein­läkemedel. Därmed skulle det bli möjligt att producera värdefulla och kladdiga protein i bakterier. Och den idén fungerade!

Vi har på det här sättet kunnat producera konstgjord lungsurfaktant på ett väldigt billigt och effektivt sätt. Lungsurfaktant finns på insidan av lungorna och sänker där ytspänningen. Det är alltså lungsurfaktan­ten som förhindrar att lungorna kollapsar när man andas ut. För tidigt födda barn har ofta har svårt att andas, vilket i de allra flesta fall beror på att de inte hunnit börja tillverka egen lungsurfaktant. I välbeställda länder behandlas de här barnen med lungsurfaktant som extraheras från gris­ eller kolungor. Surfaktanten hälls ner i barnens lungor och behandlingen är fantastisk. Förutsatt att barnen inte lider av andra sjukdomar kan de gå från att vara väldigt sjuka, i vissa fall döende, till att vara friska och andas luft inom loppet av minuter. Men det finns problem med behandlingen. Dels är det dyrt och omständligt att fram­ställa lungsurfaktant från djurlungor, dels vill man helst ge konstgjorda preparat eftersom det finns en teoretisk risk för att man skulle kunna överföra smittor från djuren till barnen. Och nu kan vi alltså, på ett väldigt kostnadseffektivt sätt, producera en konstgjord variant av det här läkemedlet, vilket förhoppningsvis kommer göra behandlingen bil­ligare. Kanske kan vi även möjliggöra behandling av vuxna med så kalllad chocklunga eller Acute respiratory distress syndrome (ards) som innebär livshotande andningssvikt som kan uppstå vid infektioner, kirurgiska ingrepp eller allvarlig skada, ett allvarligt tillstånd med hög dödlighet, som kräver mycket stora doser. Det som jag nu beskrivit handlar om att tillföra ny eller ersätta defekt lungsurfaktant. Men det finns faktiskt ytterligare en möjlighet som öppnats i och med att vi kan producera lungsurfaktant billigt. Lungsurfaktant sprider sig nämligen effektivt över insidan av lungorna (ytan är hela 90–150 m2) och når snabbt ända ner i lungblå­sorna. De här egenskaperna kan visa sig vara mycket värdefulla för att åstadkomma en effektiv transport och spridning av andra läkemedel. Man vet redan att vissa typer av antibiotika och kortison som blandats med lungsurfaktant sprids väl i lungorna, så nu är förhoppningen att vi ska kunna utveckla nya och bättre sätt att leverera läkemedel till lungorna. Många lungåkommor, som till exempel lunginflammation, behandlas idag med antibiotika i form av tabletter. Då behandlar man ju hela kroppen och läkemedlet måste ta sig från tarmen, in i blodet, förbi levern och ut i lungan. Förutom att det är svårt att få läkemedlet att ta sig hela vägen till lungan kan man också få oönskade biverk­ningar hos patienten som exempelvis störningar i tarmfunktionen och njurskador och det går åt ganska stora mängder läkemedel. Tänk om vi istället kan blanda antibiotikan med lungsurfaktant och leverera den direkt till lungan. Då skulle man kunna åstadkomma en hög lokal koncentration antibiotika, effektivt nå alla delar av lungan, minimera risken för oönskade effekter i andra delar av kroppen och samtidigt använda mindre mängd antibiotika.

De oväntade upptäckterna och glädjen när ens idéer och funderingar visar sig stämma och fungera är en fantastisk del av att vara forskare.

Naturen har så otroligt snillrika lösningar på problem som människan är långt ifrån att förstå, än mindre återskapa eller härma. Men vi när­mar oss. För att vi människor på ett hållbart sätt ska kunna fortsätta ha en hög livskvalitet måste vi börja lära av naturen. Vi måste också skapa produkter som ingår i ett kretslopp, som är i balans med miljön omkring oss. Det tror jag all grundvetenskaplig forskning har potential att bidra till och oftast på ett sätt som vi inte kunnat förutse.”

Anna Rising är professor i veterinärmedicinsk biokemi vid Sveriges lantbruksuniversitet och forskare vid Karolinska Institutet. Ledamot i Sveriges unga akademi 2015–2020.

Sveriges unga akademi samlar några av Sveriges främsta forskare. 2019 gav akademin ut antologin Ett Kalejdoskop av kunskap med texter av ett 20-tal ledamöter. F&F har fått tillåtelse att publicera tre av texterna under sommaren 2020 under vinjetten boklördag. Boken ges ut av Santerus förlag och vill du köpa den kan du klicka här.

Ett kalejdoskop av kunskap – Anna Rising

Bild: 
Lena Holm

Anna Rising är professor i veterinärmedicinsk biokemi vid Sveriges lantbruksuniversitet och forskare vidKarolinska Institutet. Ledamot i Sveriges unga akademi 2015–2020.

Sveriges unga akademi samlar några av Sveriges främsta forskare. 2019 gav akademin ut en antologi med texter av ett 20-tal ledamöter. F&F har fått tillåtelse att publicera tre av texterna under sommaren 2020 under vinjetten boklördag.    

Boken ges ut av Santérus förlag och vill du köpa den kan du klicka här.

Varde nanoljus!

conceptualized.tec

Människan har alltid försökt kontrollera och framställa ljus. Från den första elden till glödlampan.

2020-07-11

Forskning & Framsteg berättar om fackgranskade forskningsresultat och om pågående forskning. Våra texter ska vara balanserade och trovärdiga, och sätta forskningsresultaten i sitt sammanhang för att göra dem begripliga. Forskning & Framsteg har rapporterat om vetenskap sedan 1966.