
Dans le monde de la science des matériaux, la soie d’araignée est fascinante. C’est un matériau super résistant, incroyablement léger et remarquablement flexible. Pourtant, malgré les efforts inlassables de nombreux chercheurs, le processus complexe utilisé par les araignées pour créer cette substance extraordinaire reste un mystère.
Si les scientifiques pouvaient déchiffrer le code, la soie d’araignée synthétique révolutionnerait les industries, remplaçant le Kevlar, le polyester et la fibre de carbone. Ce matériau pourrait tout transformer, de la production de gilets pare-balles aux matériaux de construction.
La biophysicienne Irina Iachina étudie la soie d’araignée depuis sa maîtrise à l’Université du Danemark du Sud (SDU). Elle mène désormais ses recherches au Massachusetts Institute of Technology, avec le soutien financier de la Villum Foundation.
En collaboration avec son collègue biophysicien SDU Jonathan Brewer, Iachina a récemment fait une percée sans précédent dans son enquête sur la soie d’araignée.
Pour la première fois, la paire a réussi à se plonger dans la structure intérieure de la soie d’araignée sans avoir à couper ou endommager la fibre de quelque manière que ce soit. La recherche révolutionnaire est publiée dans la revue Rapports scientifiques.
Comment l’étude a été menée
« Nous avons utilisé plusieurs techniques de microscopie avancées, et nous avons également créé un nouveau type de microscope optique qui nous permet de regarder profondément dans une fibre et de visualiser sa structure interne », a expliqué Brewer.
Les tentatives antérieures d’analyse de la soie d’araignée utilisaient des méthodes qui nécessitaient de trancher la fibre pour capturer une coupe transversale, ou même de congeler les échantillons. Bien que ces méthodes aient fourni de nouvelles informations, Brewer en souligne les inconvénients évidents.
Les processus ont invariablement modifié la structure naturelle de la soie, faussant potentiellement les résultats. « Nous aspirions à examiner des fibres pures et non altérées qui n’ont pas été coupées, congelées ou manipulées de quelque manière que ce soit », a déclaré Iachina.
Pour éviter d’avoir recours à des procédures invasives, l’équipe a utilisé des techniques telles que la diffusion Raman anti-stokes cohérente, la microscopie confocale, la microscopie à épuisement de la fluorescence par réflexion confocale ultra-résolution, la microscopie à balayage d’ions d’hélium et la pulvérisation d’ions d’hélium.
Ce que les chercheurs ont découvert
Les recherches ont conduit à la découverte que les fibres de soie d’araignée se composent d’au moins deux couches lipidiques (graisses) externes. Au-delà de ces couches, à l’intérieur de la fibre, il existe une multitude de fibrilles serrées dans un agencement linéaire.
Ces fibrilles, d’un diamètre compris entre 100 et 150 nanomètres, dépassent les capacités de mesure des microscopes optiques conventionnels. « Ils ne sont pas tordus comme nous aurions pu l’imaginer, ce qui nous informe qu’il n’est pas nécessaire de les tordre lors de la création de soie d’araignée synthétique », a déclaré Iachina.
La recherche s’est spécifiquement concentrée sur la soie de l’araignée orb-web, Nephila Madagascariensis, qui produit deux types de soie distincts.
Les fibres de soie ampulsées majeures (MAS) sont utilisées pour construire la toile d’araignée et servir de bouée de sauvetage. Il est robuste avec un diamètre d’environ 10 micromètres. Les fibres Minor Ampullate Silk (MiS) sont utilisées pour la construction auxiliaire. Il est plus élastique avec un diamètre typique de cinq micromètres.
L’analyse a révélé que la soie MAS contient des fibrilles d’un diamètre d’environ 145 nanomètres, alors que pour MiS, il est d’environ 116 nanomètres. Ces fibrilles sont composées de plusieurs protéines, générées par l’araignée lors de la production de soie.
Nouvelles perspectives
Comprendre comment ces fibres solides sont créées est crucial, mais la fabrication de ces fibres pose également un défi important. Compte tenu de ces difficultés, de nombreux chercheurs dépendent des araignées elles-mêmes pour produire la soie nécessaire à l’étude.
Cependant, à mesure que la technologie évolue, il existe une alternative prometteuse. De nombreux chercheurs se tournent désormais vers le domaine de la science computationnelle, et Iachina est à l’avant-garde de cette transition au MIT.
Elle mène des simulations informatiques pour comprendre la transformation des protéines en soie, un projet qui promet d’ouvrir de nouvelles perspectives sur ce matériau énigmatique.
« Actuellement, je suis absorbé par les simulations informatiques de la transformation des protéines en soie. L’objectif primordial, naturellement, est de déterminer comment synthétiser la soie d’araignée artificielle. Mais au-delà de cela, je suis profondément engagé à favoriser une compréhension plus large du monde dans lequel nous habitons », a déclaré Iachina.
En savoir plus sur la soie d’araignée
La soie d’araignée est une fibre protéique filée par les araignées. Les araignées utilisent leur soie pour fabriquer des toiles ou d’autres structures, qui servent à la fois de maison et de piège efficace pour attraper leurs proies. Il existe environ 35 000 espèces d’araignées, chacune filant son propre type de soie.
La soie d’araignée est remarquable pour ses caractéristiques remarquables. Il est réputé pour sa force et sa résilience. Sur une base poids-poids, il est plus résistant que l’acier et plus résistant que le Kevlar. Les propriétés exactes peuvent varier, mais toutes les soies d’araignée ont un certain degré de résistance, de flexibilité et d’élasticité.
La soie a également une résistance à la traction très élevée, ce qui signifie qu’elle peut être étirée sur une longue distance avant de se casser. Ces caractéristiques varient en fonction du type de soie produite par une araignée, certaines soies étant plus résistantes ou plus élastiques que d’autres.
La force de la soie provient de l’arrangement hautement organisé des protéines dans les fibres de soie. Ces protéines forment des structures complexes qui confèrent à la soie son incroyable durabilité et son élasticité.
Dans l’étude SDU, les scientifiques ont découvert que la soie d’araignée est composée d’au moins deux couches externes de lipides (graisses) et de nombreuses fibrilles serrées à l’intérieur.
En plus de ses propriétés mécaniques, la soie d’araignée possède un certain nombre d’autres caractéristiques intéressantes. C’est incroyablement léger; un brin assez long pour faire le tour de la Terre pèserait moins de 500 grammes.
La soie d’araignée est également biodégradable et biocompatible, ce qui ouvre la possibilité à diverses applications médicales telles que les sutures, les ligaments artificiels ou les échafaudages tissulaires.
Malgré l’intérêt scientifique et industriel important, produire de la soie d’araignée à grande échelle est un défi. Contrairement aux vers à soie, les araignées ne peuvent pas être cultivées pour leur soie car elles ont tendance à être territoriales et cannibales.
La production synthétique pose également son propre ensemble de défis en raison de la structure protéique complexe de la soie. Cependant, les recherches en cours continuent de nous rapprocher de la compréhension des secrets de la soie d’araignée et de la façon de la produire artificiellement. En cas de succès, cela pourrait conduire à une nouvelle génération de matériaux aux propriétés extraordinaires.
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