多くの科学者は、非常に強く、重く、柔軟な絹糸を紡ぐクモの並外れた能力を理解したいと考えています。実際、クモの糸は鋼よりも強く、ケブラーよりも丈夫です。しかし、クモの働きを再現できる人はまだ誰もいません。
これらの特性を備えた合成材料を開発できれば、まったく新しい世界が可能になります。たとえば、軽量で柔軟な防弾チョッキの製造において、人工クモの糸がケブラー、ポリエステル、炭素繊維などの材料に取って代わることができるでしょう。
南デンマーク大学 (SDU) の生化学・分子生物学部の博士研究員で生物物理学者であるイリーナ・イアチナ氏は、スーパー スパイダー シルクの製法を見つける競争に参加しています。彼女は南デンマーク大学で修士号を取得しているときにクモの糸に魅了され、現在はヴィラム財団の支援を受けてボストンの MIT でこのテーマを研究しています。
研究の一環として、彼女は南デンマーク大学の准教授である生物物理学者ジョナサン・ブリュワーと共同研究を行っている。ジョナサン・ブリュワーは、さまざまな顕微鏡を使用して生物学的構造を観察する専門家である。
今回、彼らは初めて共同で光学顕微鏡を使用し、クモの糸を切ったり開いたりすることなく内部構造を研究した。この発見は現在、Scientific Reports および Scan 誌に掲載されています。
「私たちはいくつかの高度な顕微鏡技術を使用し、ファイバーの内部を隅々まで見ることができる新しい光学顕微鏡も開発しました」と Jonathan Brewer 氏は説明します。
これまでに、クモの糸はさまざまな手法を使用して分析されており、そのすべてが新たな洞察をもたらしています。しかし、Jonathan Brewer氏が指摘するように、これらの技術には欠点もあり、多くの場合、顕微鏡用の断面を得るために糸（繊維とも呼ばれる）を切断したり、サンプルを凍結したりする必要があり、これにより絹繊維の構造が変化する可能性がある。
「私たちは、切断や冷凍などの加工がされていない純粋な繊維を研究したかったのです」とイリーナ・イアチナ氏は言う。これを行うために、チームはコヒーレントアンチストークスラマン散乱、共焦点顕微鏡、超解像共焦点反射蛍光ディプレッション顕微鏡、走査型ヘリウムイオン顕微鏡、ヘリウムイオンスパッタリングなどの侵襲性の低い技術を使用しました。
さまざまな研究により、クモの糸繊維は少なくとも 2 つの脂質または脂肪の外側層で構成されていることが示されています。その後ろ、つまり繊維の内側には、いわゆるフィラメントが多数あり、それらは直線状に密に並んで配置されています (図を参照)。繊維の直径は100～150で、通常の光学顕微鏡の測定限界を下回ります。
「人々が思っていたほど、糸はねじれていないので、合成クモの糸を作ろうとするときに糸をねじる必要はないことがわかった」とイアチナ氏は語った。
イチナとブリューワーが使用するクモの糸の繊維は、マダガスカル産の黄金周回蜘蛛 (Nephila Madagascariensis) から採取されています。このクモは 2 つの異なるタイプのクモの糸を生成します。1 つは MAS (Major Ampullate Silkfibers) と呼ばれるもので、クモの巣を構築するために使用され、クモがぶら下げるために使用される糸でもあり、クモの生命線とみなすことができます。非常に強力で、直径は約10ミクロンです。
もう一つはMiS（Minor Ampullate Silk Fiber）と呼ばれる建築用副資材です。より弾性があり、通常は直径が 5 ミクロンです。両氏の分析によると、MASシルクには直径約145ナノメートルの繊維が含まれている。 MiS の直径は約 116 ナノメートルです。各繊維はタンパク質でできており、さまざまなタンパク質が関与しています。これらのタンパク質は、クモが絹繊維を作るときに生成します。
このような強力な繊維がどのようにして作られるのかを理解することは重要ですが、それを作るのは困難でもあります。したがって、この分野の研究者は、糸を生産するためにクモに依存することがよくあります。
あるいは、コンピューターによる手法に目を向けることもできます。これが、イリーナ・イクナ氏が現在 MIT で行っていることです。「現在、私はタンパク質がどのようにして糸に変換されるかについてコンピューター シミュレーションを行っています。もちろん、目標は人工クモの糸の製造方法を学ぶことですが、人々が私たちの周囲の世界をよりよく理解できるよう支援することにも興味があります。」