アタリーは今日収穫に行かなければなりません。彼らの取り組みは、ここしばらく毎週毎週求められてきました。手が彼女に近づき、慎重に手を伸ばしても、彼女は完全に平静を保っています。
ナタリーは、豪華な巣の中に座っている大人のクモです。重さはわずか 2 グラムで、脚から脚までの長さはほぼ 9 センチメートルで、手のひらほどの大きさです。家のクモに慣れている人にとっては、それは印象的な外観です。
ナタリーは家畜です。ただし、彼女は農場ではなく、ハノーバー医科大学 (MHH) の研究棟の簡素な部屋に住んでいます。そこでは、もうすぐ2歳になるこの子は、研究者らが名前を付けた約30頭の仲間の動物たちといっしょに暮らしている。約20平方メートルの部屋には、天井から枝が垂れ下がっており、部屋のスイートには小さな独立したエリアが形成されています。結局のところ、クモは共食い動物であり、ここで動物が互いに食べ合うことは望ましくありません。それらはすべて今でも必要とされています。
ヴィンセント・コーガーの熟練した手はナタリーを掴み、彼女の最も大切なもの、つまりシルクを手に入れようとしている。 「ナタリーは元気です」と生物学者は言います。彼は、Christine Radtke のチームの博士研究員です。博士はクモに関して、単に狂っているだけではない何かを考えています。糸を使って神経を再生させようとしているのです。
スチールよりも引き裂きに強い
クモの糸は驚くべき素材であり、鋼鉄の 5 倍の耐引裂性と、最高の合成繊維の 3 倍の強度を持ちながら、非常に弾力性があります。結局のところ、ネットは、全速力で巻き込まれたカブトムシの強力な衝撃など、多くのことに耐える必要があります。オックスフォード大学の動物学者フリッツ・フォルラス氏によると、クモは人間の大きさと体の比率に当てはめると、陸地に近づくジャンボジェット機を迎撃する可能性がある糸を紡ぐという。彼は何十年もの間、8本足の生き物を研究してきました。
しかし、クモの糸にはさらに多くの特徴があります。摂氏 250 度でも安定しており、防水性があり、水をよく吸収します。微生物の攻撃に耐性がありながら生分解性があり、人体との親和性が高いため、身体自身の防御機能が異物や免疫反応を認識しません。攻撃しません。逆に、絹糸には静菌効果があるため、創傷治癒を促進すると考えられています。 「生体適合性、高温耐性と、巨大な弾性および強度の組み合わせにより、クモの糸は素材としてユニークなものとなっています」と Christine Radtke 氏は強調します。
クモの糸で作ったガードレール
10年以上にわたり、MHHクリニックと形成外科、手外科、再建外科の総合病院の上級医師と約20人のチームは、この天然物を治療に使用する方法を研究してきました。研究者らは神経細胞が成長できる担体材料を探していたとRadtke氏は報告している。目標は神経経路の再生でした。 「実際には、クモの糸の利点をすべて組み合わせたものが必要でした」と、ラトケ氏の同僚クリスティーナ・リーブシュ氏はブレーンストーミングセッションで語った。それがすべての始まりでした。
近年、神経再建は進歩していますが、神経経路を置き換えることは依然として困難です。事故の被害者は自分自身の神経を移植されることがよくあります。しかし、端がうまく融合しないことがあります。神経を切除した箇所に障害が発生することもあります。末梢神経系では、ニューロンは独自に再生できますが、ターゲットを絞った方法で成長するのは短距離のみです。
「損傷した神経は、切り株から根が出るようにあらゆる方向に芽を出します」とクリスティーン・ラトケはその過程を説明する。最適な条件下であっても、1 ミリメートルの距離を移動するには 1 日かかります。 「しかし、損傷した神経終末が十分に早くお互いを見つけられないと、それらは変性してしまいます。」まさにここでクモの糸が活躍します。「私たちはクモの糸をガイドとして使用します。成長の方向を決めるために使用します」と科学者は言います。ラトケ氏とクリニック院長のピーター・フォークト氏は、手、腕、脚、あるいはバイク事故でよくあることだが肩の神経を切断された患者のケアが改善されることを望んでいる。
この原理は単純であると同時に独創的でもあります。まず、動物の静脈の細胞成分を除去します。これは通常、豚の器です。残るのは、管として機能するコラーゲンの骨格です。数百本の蜘蛛の糸がこの静脈パイプラインを通して引き込まれ、いわばガイドレールとして埋め込まれます。 「神経細胞はこれに沿って損傷部位から標的部位に向かって成長します」とラドケ氏は説明する。表面に少し粘着性のあるシルクは優れた接着力を発揮し、細胞の動きをサポートし、細胞分裂を促進します。
羊は再び歩けるようになった
Christine Radtke 氏は、すでにラット、ヒツジ、サルの一種であるベルベットモンキーでこの技術をテストしました。 「私は今、数十頭の羊を手術し、下肢神経の長い部分を切除し、クモの糸で静脈で作った構造物を挿入しました」と外科医は説明する。処置から 8 ～ 9 か月後、組織の成長がはっきりと検出できました。 「運動機能検査の結果は良好で、羊は再び普通に歩くことができるようになりました。」人工神経置換術でこれほどの距離を埋めることができた人は誰もいません。
このため、ナタリー、ソルヴェイグ、ネリ、ブリッタ、ルナとその 8 本足の仲間 (メスのクモだけが使用可能な糸を生産します) は、少なくとも週に 1 回収穫する必要があります。それぞれが毎日配達することもできますが、「私たちは動物たちを守りたいのです」とヴィンセント・コーガーさんは言います。 「そうしないと、過剰に再生産する必要があります。」 1 回の収穫で 50 ～ 100 メートルの絹糸が得られますが、他の種類のクモの場合はさらに多く、連続して 1 キロメートルにも及ぶ可能性があります。
ナタリーさんは現在、発泡スチロールの板の上に仰向けに寝かせ、発泡クッションとガーゼテープの間に挟んで慎重に寝かせている。コーガーさんはピンセットを使って腹部から糸を拾い上げ、糸巻きに巻き付けます。電気モーターで駆動されるクランクが糸を開き、優しく引くと糸が蜘蛛腺から連続的に引き出されます。ナタリーは制作で忙しいです。
神経全体の再生は、おそらくクモの糸の最も素晴らしい応用例です。しかし、他の応用分野もあります。ケルスティン・ライマース・ファドラウイ氏を含むMHHチームは、人工皮膚の製造に取り組んでいる。慢性創傷や火傷の治療に必要です。
組織培養に最適なキャリア
これを行うために、研究者らはまずシルク上で結合組織細胞を培養します。細胞の層が作成され、その上に上皮細胞（体の表面を覆う細胞）が適用されます。 2 週間後に見ると、細胞層の積み重ねが形成されていることがわかります。シルクは、外科用縫合糸の材料や創傷被覆材の形でも使用されます。 「スパイダーシルクは、さまざまな種類の人工組織再構築や組織工学のための優れたマトリックスです」と Radtke 氏は説明します。
バイロイトでは、トーマス シャイベルはまったく異なる応用の可能性を念頭に置いています。生体材料の専門家は人工クモの糸を扱っています。 「私たちは、同じ品質の材料を任意の量で生産できるプロセスを開発しました」と彼は言います。これを行うために、シャイベル氏はまず重要な質問に答える必要がありました。クモはどのようにして原料である液体タンパク質カクテルを紡糸口金の中で準備し、必要に応じてそこから引き裂きに強く弾性の高い糸を引き出すことができるのでしょうか。ほんの数秒でしょうか？
研究者らは、絹糸が、常に繰り返されるアミノ酸複合体で構成される何千ものネットワーク状のタンパク質構成要素で構成されていることを発見しました。安定した物理的結合により繊維に強度が与えられます。その間には、架橋されていない水を蓄える領域があり、これが高い弾性をもたらします。
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それぞれのクモは、分子レベルで異なる異なる糸を生成します。種類に応じて最大7種類の糸と「接着剤」がございます。クモの腹部にはこの目的のためにさまざまな腺があります。使用目的は非常に重要です (13 ページの図を参照)。
これは材料研究者にとっても医師にとってもまさに宝の山です。数多くのテストを行った後、Christine Radtke と彼女のチームは、いわゆるスターター スレッドを使用して独自の目的のためにクモの巣を構築することにしました。一方、トーマス・シャイベルらの人工製品のモデルは、クモが巣を安定させるための固定糸と、捕獲用スパイラルの絹素材である。
タンパク質が安定したスレッドに接続されるためには、化学と物理学が正しくなければなりません。決定的な瞬間は、クモが脚で腺から糸を引き出し、回転管に吸引力を生み出すときです。水性環境にあらかじめ溶解されていたタンパク質鎖のランダムな構造は、紡糸管の細胞がタンパク質溶液にリン酸カリウムと酸を加えたときに組織化されます。同時に水分も除去されます。紡糸口金内のタンパク質分子が伸びるにつれて、いわゆるベータ シート構造が形成されます。多くの弱い結合の相互作用により、隣接する分子は非常に強く結合されます。互いに隣り合った何千もの分子鎖が最終的に糸を形成します。ただし、これらの分子鎖内の特定のアミノ酸複合体が架橋して結晶様構造を形成する場合にのみ安定になります。
このようにして、クモは物理的プロセスと化学的プロセスが完全に調和したプロセスで、非常に短時間で液体から固体繊維を生成します。研究者らは、これを、驚くべき特性を持つ新素材を生成するための自然の素晴らしいテンプレートだと考えています。
これはまさに、ミュンヘンを拠点とするバイオテクノロジー企業 AMSilk が目指していることです。 「私たちは、バイオテクノロジーで生成されたタンパク質から、自然と同一の機械的特性を備えた絹繊維を生成することに成功しました」と生化学者でマネージングディレクターのアクセル・ライマー氏は述べています。 「バイオスチール」という保護名を持つ人工クモの糸は、主に同社の共同創設者であるトーマス・シャイベルの研究活動に遡ります。 「大規模な生産には、材料の連続性が必要です」とシャイベル氏は言い、ここには天然のクモの糸よりも利点があると見ています。 「環境条件や動物の食性によって変化します。」
クモの糸を再現するために、研究者らは原生動物である大腸菌のゲノムを変更した。彼らは、ヨーロッパの園芸グモから、シルクタンパク質の設計図を含む遺伝子を細菌に導入しました。このように操作されると、微生物は目的のタンパク質を生産するようになります。利点: 大腸菌は急速に繁殖し、大きな発酵槽で保存できます。このプロセスはインスリンの工業生産に匹敵します。
しかし、どうやって遺伝子産物にアクセスするのでしょうか?細菌はタンパク質を容易に排出できないため、細菌は破壊され、タンパク質が細胞残骸から分離されます。これで原料が得られます。当然のことながら、同社は製品がどのように製造されているかについて正確には沈黙している。現在、プロセス全体には、16 件の特許発明に関する約 90 ～ 100 件の国内および国際特許出願が含まれています。
クモの糸で精製したインプラント
AMSilk は現在、最初の製品を市場に投入したいと考えています。このプロセスはすでに非常に成熟しており、人工クモの糸のさまざまな特性を工業規模で所望の目的に適応させることができます。 「一部の用途では引張強度が重視され、他の用途では弾性が重視されます」とシャイベル氏は述べ、現在約 40 種類の異なるクモの糸が製造されていると指摘しました。 「これらのシルクはそれぞれ、特定の用途に合わせて最適化されています。」
同氏は、すでに市場に導入されており、「クモの糸タンパク質で精製」できる製品に最大のチャンスがあると見ている。豊胸手術の初期経験があります。ラットのテストでは、スパイダーシルクでコーティングされたシリコンインサートは、裸のシリコンで作られたものよりも免疫原性が低いことが示されています。 AMSilk は、コーティングされた小型インプラントとコーティングされていない小型インプラントを齧歯動物の胸部ではなく背中に埋め込みました。
科学者らは 3 か月、6 か月、12 か月後の結果を評価しました。コーティングされたインプラントを装着したラットの炎症反応の頻度は、コーティングされていないインプラントを装着した比較グループよりも大幅に少ないことが、体がすでにシルクを大部分分解していた1年以上経過した後でも、顕著に少ないことが示されました。結局のところ、すべての女性が人工素材に耐えられるわけではないことに、あなたは立ち上がって気づきます。シャイベル氏によれば、次のステップは臨床研究を実施することだという。
別の応用分野は、天然素材でコーティングされたプロテーゼです。科学者たちは、シルクタンパク質が細胞間の成長を刺激し、体の防御反応を最小限に抑えるため、シルクタンパク質が骨や体の一部とよりよく融合すると確信しています。ケンブリッジの Orthox 社は、発泡シルクで作られた人工半月板をすでに開発しています。膝関節の損傷した軟骨を交換するだけでなく、身体自身の組織の修復プロセスを刺激することも目的としています。世界中の研究者は、新しいクモの糸が徐々に多くの医療製品、医薬品、化粧品、複合材料、工業用繊維に使用されることを期待しています。
そして、人工製品は高性能材料の開発にも役割を果たすはずです。非常に引き裂きに強く、不燃性の材料や、超軽量の防弾チョッキが議論されています。この素材は、パラシュートから軍用防護服に至るまで、あらゆる場所で極度の硬度、伸縮性、弾力性の利点を発揮します。考えられる用途のリストはますます長くなっていきます。特殊なコーティング、たとえばフォームやゲル、不織布、繊維や糸、光学機器やスポーツ用品など。まだ欠けているのは業界のパートナーです。
バクテリアが原料となる
大腸菌は 2013 年以来、人造シルクを大量に生産しています。パイロット プラント内を泳ぐ細菌は、100 キログラムのバッチで原料を生産します。原料としてまだ白い粉末を糸に変えるために、研究者らは技術的なプロセスを使用して無限のフィラメントに紡ぐことができる溶液を生成します。人造絹糸はスプールに巻き取られ、さらなる加工を待ちます。 「商業的に使用可能なシルク繊維の生産は、非常に大きな技術的課題でした」と AMSilk の研究ディレクター、リン レーマー氏は説明します。シャイベル氏は、ハイライトは「クモの糸が完全には再現されていないが、個々の構成の各糸が意図した目的に最適であることだ」と付け加えた。
ハノーバーでは、ヴィンセント・コーガーさんとクリスティーン・ラトケさんは、テストランの後、餌やりに忙しく、それぞれのクモの巣にコオロギを投げ込みます。飼育場所にも配慮が必要です。非常に小さいものと少し大きい8本足の生き物がここで移動しています。最後になりましたが、オスも「毎日の糧」を受け取ります。結局のところ、繁殖には数羽のオスが必要なのです。
「私たちは人間でシステムをテストしようとしています」と、研究活動ですでに数多くの賞を受賞しており、外科医としても知られる 37 歳のラドケ氏は言います。ゴーサインは出ていますが、最初の臨床研究への資金はまだ確保されていません。
彼女は、最終的にはクモの糸を使って体内のあらゆる距離を橋渡しできるようにしたいと考えています。 「私は切断された患者の腕を縫合したところです。神経組織の大部分はまだそこにあり、緊張することなく神経終末を接合することができたので、おそらく機能は戻るでしょう」と彼女は言います。 「しかし、私には限られた範囲しか助けられない、またはまったく助けられないケースが常にあります。たとえば、事故や腫瘍の手術後に組織の広い領域が欠損している場合などです。私はそのような患者たちにこう言わなければなりません：私には何も残されていません。」
彼女は横を向いて、這い回る畜産の飼育本と実験ノートを手に取りました。そしてあなたは、科学と患者のために、すぐに誰かが再び収穫しなければならないのではないかと疑っています。一方、部屋のわずかな湿気の中で、私の隣のネットにいるアラクネは、ほとんど気づかないうちに体を半回転させ、ネットに向かって足を数回振り、ネットはすぐに揺れ始め、そしてつまずきながら広がりに消えていきました。彼女の繊細な住居の様子。 •
CHRISTIAN JUNG (左) は生物学者であり、フリーの科学ジャーナリストです。彼は科学のイメージへの貢献により、いくつかの賞を受賞しています。ソルビン・ザンクルは海洋生物学者であり自然写真家です。彼はすでに GEO、National Geographic、stern の取材で多くの国を訪れています。
文：クリスチャン・ユング、写真：ソルビン・ザンクル
