研究者らはワームの糸をクモの糸よりも強くする

クモは通常、絹を作る動物の中で最も強い糸を生成します。

ラーフル・ラオ著 | 2022 年 10 月 6 日午後 2:00 EDT に公開

シルクは素晴らしい生地ですが、それ以上のことができる素材でもあります。 最高の状態では、シルクは引っ張ったときにスチールよりも優れた耐久力を発揮します。 高品質のシルクが十分に入手できれば、シルク ボディ センサーやシルク ボディ アーマーを作ることを考えるかもしれません。

しかし、そこに問題があります。 十分な量のシルクを入手するのは困難です。

クモは私たちが知っている中で最も強力な糸を作ります。 残念ながら、クモの糸は入手が難しく、まだ存在しない代替品を見つけない限り、ほとんどの用途に十分な量を入手するのは確かに非常に困難です。 しかし、科学者たちは、木曜マター誌に掲載された論文で、弱いながらもはるかに一般的なカイコの糸を微調整して、クモの糸よりもさらに強い特性を持たせることで、まさにそれを実現した可能性がある。

中国北部にある天津大学の生化学者で論文著者の一人であるZhi Lin氏はプレスリリースで「この研究が収益性の高い高性能人工シルクを生産する有望な方法を切り開くことを願っている」と述べた。カイコガ、カイコガは、これまでのところ最も生産量の多いシルクの供給源です。 現在の中国にあたる地域の人類は約6,000年前に蚕を家畜化していたようで、蚕が動物の繊維から織ったものは高級品として世界中で有名になることになる。 シルクは、何世紀にもわたって古いユーラシア全域で人々と文化を繋いでいた交易路のネットワークであるシルクロードにその名前を与えました。 シルクは、記録に残る最古の産業スパイ事件にも関与しており、2人のビザンチン僧侶が、中空の杖の中に蚕を隠し、シルクロードに沿って西へ密輸したとされている。

しかし、近代以前でも、蚕が必ずしも最高の絹を作るわけではないことはわかっていました。 ワームは糸を作り、繭を形成します。 これは通常、織物に織り込むのに最適ですが、実際に弾力性のある特性を得るには、それだけでは十分ではありません。 （蚕もそれをあまり利用しません。わずか 1 ポンドの絹を作るのに数百匹の蚕が必要で、それを集めるのは蚕にとって致命的な場合が多いのです。）

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コイ、ムール貝、多くの昆虫など、シルクを作ることができる動物はたくさんいますが、最も強力なシルクはクモから得られます。 クモは、目の前の仕事に応じて、いくつかの異なる種類の糸を作ることができます。たとえば、1 種類は卵嚢を作るためのもので、もう 1 種類は獲物を確保するためのものです。

それらの中で最も強いものは引き綱糸と呼ばれ、クモが巣の最も重要な線を作るために糸を紡ぎます。 クモがぶら下がっている糸でもあります。 ドラッグラインシルクは、最高の状態で、引張強度、つまり素材が引っ張られたり伸びたりしたときにどれだけ耐えられるかという点で高級鋼に匹敵します。

なぜエンジニアがまだクモの糸からブリッジケーブルを作っていないのか疑問に思っているなら、そこには大きな問題があります。 クモの糸はあまり多くありません。 「私たちはそれをより多く得るために常に戦わなければなりません」とバージニア州ウィリアム・アンド・メアリー大学の材料科学者ハンネス・シュニエップ氏は言う。彼は新しい論文には参加していないが、彼の研究室ではリボン状のシルクを研究している。有毒な茶色の世捨てグモ。

10年以上前、織物メーカーは100万匹以上のクモから採取した糸を使って、11フィート×4フィートの1枚の布を織っていました。 100 万匹のクモを手に入れるのは簡単なことではない。特に、クモを飼いならすのは非常に難しいからだ。クモは縄張り意識が強すぎて攻撃的である。

動物を使わずにシルクを作る方法はあるかもしれませんが、科学者たちはまだそのどれも完成していません。 いくつかの新興企業が現在、その手（またはおそらく紡糸口金）を試しているが、クモの糸を豊富に使用するという大胆な約束にもかかわらず、彼らの製品はオーガニック製品の印象的な特性のすべてに完全に一致しているわけではない。

科学者たちは、クモの能力に匹敵するさまざまなトリックを試みてきました。 非常に 21 世紀的なアイデアには、クモの DNA をカイコに挿入することが含まれます。 最近、この目的のために、多くの中国の機関の科学者が協力してカイコのゲノム地図を作成した。 しかし、まだ有効な人工シルクには至っていない。

この最新の論文の背後にある科学者たちは、別のアプローチを採用しました。それは、クモが行うようにミミズから糸を紡ぐことです。

カイコの絹は通常、接着剤のような物質で覆われたタンパク質繊維で構成されています。 この接着剤は繭の中で絹の繊維がくっつくのを助けますが、繭を紡ぐのには障害になります。 だからそれは行かなければならなかった。 研究者らは、有機化学者がタンパク質を溶解するためによく使用する物質であるHFIPと呼ばれる酸に繊維を浸すことでこれを行った。

このプロセスでは、得られた繊維を別の浴に注入し、この浴には亜鉛と鉄のイオンが満たされており、これがシルクに結合して強化されました。 その浴内で、研究者らは特注の機械を使用してストランドを紡ぎ、それぞれを元の長さの 3 倍に伸ばしました。

糸を乾燥させた後、研究者らは引張強さにおいてクモ引き綱の絹に匹敵しない絹を残した。 それは超えました。 テストの結果、作成したばかりのシルク (外観はクモの引き綱のシルクと同じ) が 70% 強度が高いことがわかりました。 また、接着剤を取り除いた蚕の天然シルクの 2 倍以上の強度がありました。

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「私たちの発見は、カイコの糸は機械的性能においてクモの糸と競合できないというこれまでの認識を覆すものです」とリン氏は言う。

シュニエップ氏によれば、このプロセスはまったく新しいものではないという。 シルク科学者たちは、カイコのシルクの特性を改良する方法を模索してきました。 しかし、彼らは「クモの糸を上回るカイコの糸を作ることはできなかった。それは、ある意味、こんなに簡単にできるとは決して予想していなかった」とシュニエップ氏は言う。

このアプローチでは、シルクの大量生産の背後にあるすべての問題が解決されるわけではありません。 一部の試みのように、研究室でタンパク質を栽培するのではなく、カイコからシルクを入手する必要があります。 さらに、HFIP は大量生産にはあまり適していません。 それは高価であり、非常に有毒です。

しかし科学者らは、この実験は最終的には研究者が従うべき糸口になる可能性があると述べている。

ラーフル・ラオは元インターンで、2021 年初頭からポピュラー・サイエンスにサイエンス・ライターを寄稿しています。彼は物理学、宇宙、テクノロジー、およびそれらの相互の交差やその他あらゆるものをカバーしています。 著者へのお問い合わせはこちらから。