De nombreux scientifiques souhaitent comprendre l’extraordinaire capacité des araignées à tisser des fils de soie extrêmement solides, lourds et flexibles. En fait, la soie d’araignée est plus résistante que l’acier et plus résistante que le Kevlar. Cependant, personne n'a encore réussi à reproduire le travail de l'araignée.
Si nous pouvions développer des matériaux synthétiques dotés de ces propriétés, un tout nouveau monde serait possible : la soie d’araignée artificielle pourrait remplacer des matériaux comme le Kevlar, le polyester et la fibre de carbone dans l’industrie, par exemple dans la fabrication de gilets pare-balles légers et flexibles.
Irina Iachina, boursière postdoctorale et biophysicienne au Département de biochimie et de biologie moléculaire de l'Université du Danemark du Sud (SDU), participe à la course pour trouver la formule de la super soie d'araignée. Elle est devenue fascinée par la soie d'araignée alors qu'elle préparait sa maîtrise à l'Université du Danemark du Sud et mène actuellement des recherches sur le sujet au MIT de Boston avec le soutien de la Fondation Villum.
Dans le cadre de ses recherches, elle collabore avec le biophysicien Jonathan Brewer, professeur agrégé à l'Université du Danemark du Sud, expert dans l'utilisation de divers microscopes pour examiner les structures biologiques.
Aujourd’hui, pour la première fois ensemble, ils ont utilisé la microscopie optique pour étudier la structure interne de la soie d’araignée sans avoir à la couper ou à l’ouvrir de quelque manière que ce soit. Les résultats ont été publiés dans les revues Scientific Reports et Scan.
"Nous avons utilisé plusieurs techniques de microscopie avancées et avons également développé un nouveau microscope optique qui nous permet de voir jusqu'à l'intérieur des fibres", explique Jonathan Brewer.
À ce jour, la soie d’araignée a été analysée à l’aide de diverses techniques, qui ont toutes apporté de nouvelles connaissances. Cependant, comme le souligne Jonathan Brewer, ces techniques présentent également des inconvénients, car elles nécessitent souvent de couper les fils (également appelés fibres) en sections pour obtenir des sections transversales destinées à la microscopie, ou de congeler les échantillons, ce qui peut modifier la structure des fibres de soie.
"Nous voulions étudier des fibres pures qui n'avaient pas été coupées, congelées ou autrement manipulées", explique Irina Iachina. Pour ce faire, l’équipe a utilisé des techniques moins invasives telles que la diffusion cohérente anti-Stokes Raman, la microscopie confocale, la microscopie confocale à déplétion de fluorescence réfléchie à super-résolution, la microscopie à balayage d’ions hélium et la pulvérisation cathodique d’ions hélium.
Différentes études ont montré que les fibres de soie d’araignée sont composées d’au moins deux couches externes de lipides, ou graisses. Derrière eux, c'est-à-dire à l'intérieur des fibres, se trouvent de nombreux filaments disposés en lignes droites et étroitement côte à côte (voir illustration). Le diamètre des fibres est compris entre 100 et 150, ce qui est inférieur à la limite de mesure des microscopes optiques ordinaires.
"Ils ne sont pas autant tordus que les gens le pensaient, donc nous savons maintenant qu'il n'est pas nécessaire de les tordre lorsqu'on essaie de fabriquer de la soie d'araignée synthétique", a déclaré Iachina.
Les fibres de soie d'araignée utilisées par Ichina et Brewer proviennent de l'araignée à orbite dorée de Madagascar (Nephila Madagascariensis). Cette araignée produit deux types différents de soie d'araignée : l'une est appelée MAS (Major Ampullate Silkfibers), qui est utilisée pour construire des toiles d'araignées et est également la soie utilisée par les araignées pour se suspendre, qui peut être considérée comme la bouée de sauvetage des araignées ; il est très résistant et a un diamètre d'environ 10 microns.
L’autre s’appelle MiS (Minor Ampullate Silk fibre), qui est un matériau auxiliaire pour la construction. Il est plus élastique et a généralement un diamètre de 5 microns. Selon l'analyse du couple, la soie MAS contient des fibres d'un diamètre d'environ 145 nanomètres. Le diamètre de MiS est d'environ 116 nanomètres. Chaque fibre est constituée de protéines et de nombreuses protéines différentes sont impliquées. Ces protéines sont produites par les araignées lorsqu’elles fabriquent des fibres de soie.
Comprendre comment ils créent des fibres aussi résistantes est important, mais les fabriquer est également un défi. Par conséquent, les chercheurs dans le domaine comptent souvent sur les araignées pour produire de la soie.
Alternativement, ils peuvent se tourner vers des méthodes informatiques, ce que fait actuellement Irina-Ichna au MIT : « En ce moment, je fais des simulations informatiques sur la façon dont les protéines sont converties en soie. Bien sûr, l'objectif est d'apprendre à produire de la soie d'araignée artificielle, mais je souhaite également aider les gens à mieux comprendre le monde qui nous entoure.