Kunstzijde van eiwit uit wei

Een Zweeds-Duits onderzoeksteam heeft bij de Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg een proces voor de kunstmatige productie van zijde ontwikkeld.

Zijde is een gewild materiaal met veel verbazingwekkende eigenschappen. Het is heel licht, even sterk als menig metaal en kan extreem elastisch zijn. Tot nu toe wordt zijde tegen hoge kosten uit gekweekte rupsen gewonnen.

Wereldwijd werken talrijke groepen onderzoekers aan de kunstmatige productie van zijde. Een dergelijk materiaal kan ook zodanig worden gemodificeerd, dat het nieuwe eigenschappen krijgt en bijvoorbeeld kan functioneren als biosensor of zelfoplossende wondbedekking. De natuur imiteren is in dit geval echter bijzonder moeilijk.

Eiwit uit wei

Het Zweedse team van de Kungliga Tekniska Högskolan (KTH) in Stockholm richt zich op een zelfmontage van het biologische uitgangsmateriaal. Dat is in principe een eenvoudig proces.

Veel eiwitten vormen onder de juiste omgevingscondities uit zichzelf nanofibrillen. Deze worden in een dragervloeistof door een kanaal geperst, waarbij ze met aanvullende zijdelingse waterstralen zo sterk worden verdicht dat ze samenklonteren en een vezel vormen. Onderzoekers noemen dit proces hydrodynamische focussering (foto: DESY/Eberhard Reimann). Op deze manier heeft een team van KTH al kunstmatige houtvezels uit cellulosevezeltjes gemaakt. Dit heeft het nodige gemeen met de manier waarop spinnen hun zijde produceren.

Bij de onderhavige studie gebruikten de onderzoekers een eiwit uit wei (de vloeistof die bij de kaasbereiding ontstaat door het stremmen van de melk na toevoeging van stremsel). Dit eiwit vormt nanofibrillen onder invloed van hitte en zuur.

De langste en dikste fibrillen ontstaan bij een eiwitconcentratie van minder dan 4% in de oplossing. Ze worden gemiddeld 2000 nm lang en 4-7 nm dik. Bij een eiwitconcentratie van meer dan 6% in de oplossing blijven de fibrillen duidelijk kleiner: gemiddeld 40 nm lang en slechts 2-3 nm dik. Bovendien zijn ze dan gekromd in plaats van recht en 15-25 zachter dan de lange fibrillen.

Korter is beter

In het laboratorium bleek echter dat uit de lange rechte fibrillen slechtere vezels ontstonden dan uit de korte gekromde fibrillen. Met de extreem sterke röntgenbron Petra III aan DESY konden de wetenschappers vaststellen hoe dat komt: de kromme nanofibrillen haken veel beter in elkaar dan de rechte.

Op de röntgenopnamen is te zien dat de structuur van de gekromde fibrillen ook in de complete vezels behouden blijft. De sterkste vezels ontstaan bij een nauwkeurige balans tussen een geordende nanostructuur van het materiaal en een vervlechting van de fibrillen.

Natuurlijke zijde heeft een nog complexere structuur uit evolutionair geoptimaliseerde eiwitten. Deze komen zodanig samen dat er zowel gebieden zijn met een sterke ordening (zogeheten beta sheets) die de vezel sterkte geven, als gebieden met geringe ordening die de vezel flexibiliteit geven.

De vezelstructuren van de kunstmatige en natuurlijke zijde verschillen echter aanzienlijk. De eiwitketens in natuurzijde hebben met name een groter aantal intermoleculaire wisselwerkingen, die de eiwitten verbinden en tot een sterkere vezel leiden.

Het vervolg

Bij laboratoriumproeven ontstonden ongeveer 5 mm lange kunstzijdevezels van middelmatige kwaliteit. De onderzoekers hebben het wei-eiwit gebruikt om het principe aan de basis te leren begrijpen.

Het totale proces kan nu worden geoptimaliseerd om vezels met betere of op maat gemaakte eigenschappen te produceren. De resultaten kunnen daarbij ook helpen bij de ontwikkeling van andere materialen met nieuwe soorten eigenschappen, bijvoorbeeld kunstweefsels voor medische doeleinden.