Hämähäkeistä apua kännykänkuorien valmistukseen

Aalto-yliopistossa on tutkittu tarkkaan hämähäkkien seittien osia. Pikkueläimet tuottavat verkkojaan varten silkkiä, joka sopisi meillekin moneen käyttötarkoitukseen. Jos pystyisimme valmistamaan tehokkaasti silkin kaltaisia materiaaleja kuten hämähäkit, voisimme tehdä niistä hyvin monenlaisia tuotteita. Vaatteiden lisäksi silkeistä voi tehdä esimerkiksi liimoja, kännykänkuoria, luotiliivejä tai vaikkapa suksia ja osia lentokoneisiin. Silkeillä voi myös korvata muoveja.

Silkistä puhuttaessa ihmisille tulee usein mieleen vain vaatteisiin käytettävä kangas. Kyseessä on kuitenkin luonnossa hyvin yleinen materiaali, esimerkiksi simpukan helmiäinen on silkkiä sekoitettuna muihin materiaaleihin.

Silkki on eräänlainen komposiittimateriaali eli se koostuu proteiinista, valkuaisaineesta, jossa on kaksi erilaista osaa. Toinen osa muodostaa solmukohtia eli kiteytyy. Toinen osa on epäjärjestäytynyt ja helposti venyvä. Yhdessä nämä osat muodostavat rakenteen, joka on sitkeä ja luja.

Professori Markus Linderin tutkimusryhmässä etsitään tapoja tuottaa teollisesti silkin kaltaisia materiaaleja.

”Kaikki hämähäkit tuottavat silkkiä kehruurauhasillaan. Hämähäkkejä itsessään ei kuitenkaan voi käyttää, kun silkkejä tarvitaan suuria määriä ja silkin on oltava juuri tietynlaista”, Linder kertoo.

Geenit mikro-organismeihin

Tämän vuoksi tutkijat ovat etsineet hämähäkeiltä geenit, joiden ansiosta eläimet tuottavat silkkiä ja siirtäneet nämä geenit mikro-organismeihin. Esimerkiksi mikrobit tuottavat tällöin silkin kaltaisia materiaaleja – ja koska siirrettävät geenit voi valita, ne tuottavat juuri sellaista materiaalia, jota kulloinkin tarvitaan.

Erityistä päänvaivaa tutkijoille tuottaa molekyylien itsejärjestäytyminen. Itse proteiinien tuotanto mikrobeilla on ollut mahdollista jo pitkään. Nyt iso työ on saada luotua proteiinimolekyylejä, jotka liittyvät toisiinsa juuri halutulla tavalla. Vasta kun proteiinit liittyvät toisiinsa luonnollisesti toivotun mukaisesti, nestepisaroita voidaan venyttää kuiduiksi, joista erilaisia esineitä valmistetaan.

Aalto-yliopiston tutkijat venyttävät silkkinestepisarasta kuitua. Kuva: Pezhman Mohammadi

Hakusessa aivan uudenlaisia materiaaleja

Silkeillä on paljon hyödyllisiä ominaisuuksia, joiden takia niitä on käytetty vaatteissa jo kauan. Arkeologisissa kaivauksissa on löydetty silkkitehtaita yli 5000 vuoden takaa. Silkit imevät valtavasti kosteutta – mikä osaltaan selittää sen, miksi silkkivaate tuntuu hyvältä ihoa vasten. Silkkikuidut voivat olla myös äärettömän ohuita – minkä näemme esimerkiksi hämähäkinseiteistä. Koska silkkien pinta on sileä, ne hylkivät likaa. Nämä materiaalit ovat olleet hyödyllisiä jopa haavatyynyissä, koska kasvavan kudoksen on hankala kiinnittyä sileäpintaisiin kiteisiin silkissä. Materiaalit ovat myös huonoja palamaan, mikä lisää niiden turvallisuutta.

Erityisen kiehtovaa on mahdollisuus käyttää silkkiä aivan uudenlaisissa materiaaleissa. Tämä onkin nyt tutkijoiden päätavoite. Uusi materiaali voisi olla esimerkiksi silkin ja lähes joka kasvista löytyvän selluloosan yhdistelmä, jossa yhdistyisi silkin sitkeys ja selluloosan jäykkyys. Silkki-proteiinit lisäävät samalla tavalla sitkeyttä simpukankuoressa, jossa kuoren jäykkyys tulee kalsiumkarbonaatista. Tällaisten uusien yhdistelmien kautta voidaan mahdollisesti tehdä muovia korvaavia materiaaleja. 

Kuva: Mostphotos

Yksi hämähäkki tuottaa useita silkkejä

Silkkimateriaaleja on hyvin monenlaisia, joten niiden kirjosta löytyy vaihtoehtoja hyvin erilaisiin käyttökohteisiin. Hämähäkkikin voi tuottaa jo yhteen hämähäkinseittiin useita eri tyyppisiä silkkejä: esimerkiksi ulkokehällä on eri silkkiä kuin solmukohdissa. Näiden ominaisuudet juontuvat niiden erilaisista molekyylitason koostumuksista. Samaten seitin ominaisuudet vaihtelevat myös sen mukaan, onko kyseessä hämähäkin saaliinsa ympärille tekemä seitti vai jälkeläisten kotelojen materiaali.

Kaikille ihmisille sopivia käyttökohteita ei varmasti ole osattu vielä edes miettiäkään.  

”Tässä tutkimushankkeessa meillä on myös luova design-näkökulma. Pyrimme ideoimaan uusia käyttösovelluksia näille materiaaleille ja kertomaan materiaaleista eteenpäin muille, jotka voivat keksiä näille uusia käyttötapoja”, kertoo Linder.

Luonto kierrättää silkin

Biomateriaali on myös hyvin ympäristöystävällinen vaihtoehto. Silkkejä tuottavia mikrobeja voi syöttää esimerkiksi ruokajätteillä, jolloin samanaikaisesti sekä jätteet vähenevät että uudet hyötymateriaalit syntyvät.

Lisäksi silkkien käyttö on yksi tapa vähentää mikromuovien tuottamaa ongelmaa. Silkit ovat tarpeeksi kestäviä käyttöön mutta eivät liian kestäviä luonnolle. Jos silkki lopulta päätyy luontoon, se hajoaa luonnon kiertokulussa samoin kuin hämähäkin seitti tai simpukankuoren helmiäinen ovat jo miljoonien vuosien ajan tehneet.

Akatemia tukee tutkimusta

Suomen Akatemia tukee erilasten biomateriaalien tutkimusta. Myös silkin kaltaisten materiaalien kehitystä Akatemia on ollut vauhdittamassa eri tavoin.

”Näihin tuloksiin johtaneet ideat on kehitetty biologisia materiaaleja tutkivassa huippuyksikössä. Tukemalla huippuyksikköjä Suomen Akatemia tekee tällaisen tutkimustyön mahdolliseksi”, sanoo Linder.

 Teksti ja video: Visa Noronen