Par Benoît GILLES

Tout type de matériau nouveau apporte souvent des améliorations dans une diversité de domaines : en témoignant le Nylon ou le Kevlar par exemple. L’intérêt de ces matériaux explique l’accroissement de leur usage au niveau mondial et, par conséquent, interroge la durabilité des matières premières (épuisement des ressources) et l’impact environnemental (absence de filière de recyclage ou de valorisation par exemple).

Il paraît donc nécessaire de concevoir de nouveaux matériaux alternatifs, à la fois durables, respectueux de l’environnement et offrant des propriétés permettant de satisfaire les impératifs industriels : un compromis entre la solidité du Kevlar et la souplesse/élasticité du Nylon. Le défi consiste ainsi à élaborer des fibres conjuguant ces deux propriétés : quoi de mieux que la bioinspiration pour ceci ?

La soie d’araignée est une source d’inspiration pour les scientifiques en raison de sa résistance supérieure à celle du Kevlar (2ème matériau naturel le plus résistant), de sa souplesse plus importante que celle du Nylon, mais aussi pour des raisons écologiques.

Ses propriétés singulières doivent tout à une structure composée de protéines constituées à 75% pour par deux acides aminés (Glycine (Gly) et d’Alanine (Ala)), et à un processus de production que les techniques de filage microfluides les plus avancées ne parviennent pas à reproduire (technologie émergente consistant à manipuler le diamètre, la morphologie, le débit et la géométrie de fibres pour créer des fils aux applications multiples : ingénierie tissulaire, électronique portable, systèmes de délivrance de principes actifs par exemple) . De plus, les propriétés mécaniques des soies artificielles possèdent une durée de vie plus courte que celles des soies naturelles en raison d’une incapacité à recouvrir, à l’aide des procédés actuels, les fibres avec une « couche cuticulaire ».

Les fils de soie d’araignée sont produits par des glandes dites séricigènes situées à l’extrémité de l’abdomen, nommées selon leurs formes (ampullacées, flagelliformes, piriformes, agrégées, tubuliflores, etc.) puis excrétés au niveau des filières (protubérances articulées généralement au nombre de 6). Liquides, les fibres de soie se solidifient instantanément au contact de l’air. L’entrelacs de plusieurs fibres de soie, d’un diamètre de 0,05µm, forme un fil de soie d’un diamètre variant entre 25 et 75µm (60 fois plus fin qu’un cheveu et plus fin que le fil de soie du Bombyx – « vers à soie »). Le diamètre et le type de soie est variable en fonction de de son utilisation et de l’espèce. Une araignée peut ainsi produire 8 types de soies : soie sèche (fil d’Ariane), fil de rayons ou cadre (pour former la toile), soie gluante (spirale pour capturer les proies), soie cribellée (adhérente), soies parcheminée et cotonneuse (cocons pour les œufs) (figure 1). La souplesse et la résistance du fil de soie résulte de la présence de deux protéines : La fibroïne (protéine filamenteuse aussi appelée spidroïne) est composée de chaînes polypeptidiques (successions d’acides aminés comme la Glycine-40%, l’Alanine-25% et la Sérine) créant une structure repliée en forme de feuillet. Elle intervient dans la résistance du fil La Séricine, formule brute C12/H25/N5/O8, est composée de Sérine, d’acide aspartique et de Glycine, et forme quant à elle une spirale (hélice) conférant l’élasticité du fil de soie Les autres éléments constitutifs sont des limites, des sels minéraux et de l’eau (14%).  Les propriétés du fil de soie d’araignée sont incroyables : Cinq fois plus résistantes que l’acier (pour une densité 6 fois moindre) et 3 fois plus que le Kevlar Deux fois plus souples que le Nylon Élasticité permettant un allongement d’un ratio 1:5 et un retour à la taille initiale Energie de rupture 6 fois supérieure à celle du Kevlar Mémoire de forme 5 à 12 fois celle du latex Léger, imperméable, biocompatible et antiseptique Isolant thermique

Produire de la soie d’araignée naturelle à grande échelle est particulièrement difficile car cela nécessite de développer des systèmes d’élevage à faibles coûts tout en intégrant d’autres contraintes comme un comportement cannibale et une sécrétion non continue de soie. Cependant, les progrès en génie génétique offrent de nouvelles perspectives grâce à la synthèse des protéines de soie d’araignée par un autre hôte de manière in vitro.

Les glandes séricigènes des « vers à soie » présentent de remarquables similarités avec celles des araignées. La production de soie des chenilles étant industrielle, maitrisée et peu coûteuse, il est alors possible d’y recourir pour produire de la soie d’araignée en quantité.

Une équipe dirigée par Qing Meng (Université de Shangaï) a réussi à l’aide de l’outil CRISPR-Cas9 à faire synthétiser des fibres de soie d’araignées à des vers à soie (figures 2 et 3).

Les fibres de soies obtenues présentent des caractéristiques remarquables à la fois de résistance à la traction (1 299MPa) et d’élasticité (319 MJ/m³ – 4,8 fois celle du Nylon). Ces résultats remettent ainsi en cause les croyances antérieures sur les relations entre résistance et souplesse.

Cela dépasse la souplesse de la plupart des fibres naturelles et synthétiques !

Les prochaines études vont porter sur la transmission de ce caractère.

Les chercheurs indiquent que les applications sont multiples, comme en chirurgie et dans le domaine de l’exploration spatiale, en attente de matériaux toujours plus légers, solides et résistants aux conditions extrêmes.

CRISPR-Cas9 CRISPR-Cas9 est un outil moléculaire naturel bactérien qui permet de corriger le génome en inhibant un gène, de le corriger ou d’en intégrer un. Il a été découvert dans les années 2000 puis « détourné » par Jennifer Doudna et Emmanuelle Charpentier en 2012 (Prix Nobel de chimie 2020) pour une utilisation en biotechnologie et en thérapie génique.CRISPR-Cas9 est complexe protéique composé de deux éléments : d’un côté un fragment ARN (CRISPR) homologue à une séquence d’ADN sélectionnée – et d’une endonucléase (Cas9) qui a la faculté de couper en deux les brins d’ADN (figure 3). Le fonctionnement de CRISPR-Cas9 se déroule de la manière suivante : Le fragment d’ARN va se déplacer le long de l’ADN pour se placer au niveau de la séquence ADN homologue sélectionné L’enzyme Cas9 coupe le brin d’ADN en deux L’ouverture produite va permettre de créer : Une coupure simple sans réparation induisant une mutation rendant le gène non fonctionnel Une réparation avec une séquence homologue modifiée permettant de « réparer » un gène défectueux Une réparation avec un modèle contenant de l’ADN étranger permettant d’induire une fonction supplémentaire à la cellule (transgénèse)

Bibliographie

• Junpeng Mi et al. (2023) : High-stranght and ultra-tough whole spider silk fibers spun from transgenic silkworms. Matter 6, 3661-3683 (lien)