Soie d’araignée et avenir

I: UNE NOUVELLE SOURCE D’INSPIRATION BIOMIMÉTIQUE: LA SOIE D’ARAIGNÉE

Les araignées sont de petits animaux issu de la famille des arachnides, qui regroupe aussi les scorpions. Ces animaux sont pourtant les seuls du règne animal à produire cette soie caractéristique. Elle a de nombreuses propriétés connus qui la rende aujourd’hui très intéressantes a étudier. Déjà par le passer des industriels avaient déjà exploités ce matériel. Mais les chercheurs si sont de nouveau penchés depuis quelques années. Car malgré la faible production de cette soie par ces animaux, ils n’en demeure pas moins intéressant d’essayer d’en comprendre les mécanismes, pour une exploitation future. Comment expliquer et exploiter les propriétés de la soie d’araignée ?

Une matoutou guyanaise

(La Matoutou: une araignée de la famille des mygales mais inoffensive que l’on trouve fréquemment en Guyane française. On la reconnaît à une tache jaune au bout de ses pattes)

II: UNE ARME DE SURVIE

Les araignées sont des animaux extrêmement anciens qui n’ont pour certaines espèce que peu évoluer par rapport à leurs ancêtres. Ce qui suggère que leurs mécanismes de survie n’ont que très peu évolué depuis des millions d’années pour certaines espèces.

Fossile d’une Megarachne servinei ayant vécu il y a 300 millions d’années

Mais les observations sur le terrain nous ont clairement révélé que les différentes espèces n’utilisent pas la soie de la même manière selon son utilisation qui peut grandement varier: de la fabrication de toiles en spirales comme on les connait dans nos régions au cocon. On observe même chez certaines espèces de mygales vivants en Amazonie des techniques de chasses à l’affût, impliquant l’utilisation de cette soie comme un réseau de détection. Une autre utilisation courante de ces fils est ce qu’on nomme le fil de suspension: quand il désire descendre, l’animal colle un fil à une surface et s’en sert comme d’une corde d’escalade pour contrôler sa chute.

Ces arachnides utilisent ainsi leur soie pour principalement capturer leurs proies, défendre leur progéniture ou défendre leur territoire.

Une toile en spirale

Mais pour que les choses soient claires: c’est bien le même matériaux de base qui est utilisé dans tous les cas. Et c’est ce qui la rend intéressante car pour remplir ces fonctions variées elle doit avoir de nombreuses propriétés. 

III: UNE CONSTITUTION SPÉCIFIQUE

1) Les observations

Les araignées sont mal vues par la plupart des personnes. Elles sont l’objet de phobies, de dégoût… pourtant elles sont très utiles à l’environnement et plusieurs chercheurs se sont déjà penchés sur l’étude de leur soie. En effet cette dernière possède des propriétés multiples et hors norme.

Les études ont révélé des capacités très difficiles voire impossible à reproduire avec la plupart de nos matériaux courants. Par exemple un fil de quelques microns  (106m) serait capable de supporter un gramme, une valeur dure à égaler même pour les métaux. Ainsi un fil pesant seulement 0,11g a pu supporter 180g de matière avant de céder.

Mais là où ce matériaux est surprenant est qu’il est également élastique ! Les études divergent à ce sujet mais on s’accorde à dire qu’au minimum un fil peut s’allonger de 40% (jusqu’à 200% pour les quelques espèces) de sa longueur sans se rompre, ce qui est une résistance à l’élongation inégalée par les métaux. On voit donc ici l’un des atouts de cette soie: sa résistance aux contraintes d’élongations.

En plus de cela la soie se comporte comme un métal à mémoire de forme il reprend sa forme initiale s’il n’est soumis à aucune contrainte.

Outre cela elle est plus performante que le métal pour une autre raison: sa masse volumique. Si elle n’est pas la meilleure (le nilon à une mV= 1,24g/cm3), ce matériau est incontestablement léger: 1,30g/cm3, ce qui est plus de 5 fois meilleur que l’acier qui a une masse volumique d’environ 7,9g/cm3.

Ces 2 propriétés, élasticité et légèreté font que l’on peut en théorie du moins porter cette matière comme un vêtement. Cela ouvre des portes à l’industrie textile.

3°/ L’industrie textile

Les capacités de la soie d’araignées ont suscité l’intérêt de nombreux chez chercheurs, qui y voient un matériau du futur. En effet comme dit plus haut il est possible de créer des tissus à partir de cette soie.

A l’heure actuelle l’un des projets les plus importants seraient de renforcer les ceintures de sécurités: en incorporant un ensemble composé de cette soie on pourrait obtenir un double avantages. La soie étant à la fois résistante à l’élongation et à mémoire de forme, la réaction attendue serait que la soie puisse s’allonger pendant quelques instants permettant d’absorber encore mieux le choc en cas d’accident. Puis comme une ceinture ordinaire elle pourrait revenir à sa condition initiale.

Le seul gros obstacle pour « universalisé » cette substance c’est la production. En effet comme on le voit dans la vidéo si-dessus, on sait fabriquer des machines de récupération de la soie. Mais c’est loin d’être suffisant pour permettre une rentabilité du système ou la préservation de certaines espèces qui serait alors victime d’un important braconnage pour récupérer leur soie. L’élevage n’est pas non plus viable, car les araignées sont territoriales par nature et chasse même leurs propres congénères en cas d’intrusion. En plus, naturellement une pour obtenir un la même quantité de soie  venant du bombix mori (le ver à soie)il faut 9 à 10 fois plus d’araignées. La seule solution restante viable c’est la synthèse.

Plusieurs start-up et équipe de chercheurs ont déjà réussi à produire de la soie d’araignée ces dernières années. La solution trouvée est finalement la transgenèse. Dès la fin des années 90 plusieurs laboratoire à travers le monde ont réussi à implanter le gêne de la soie d’araignée dans le génotype d’animaux notamment des chèvres. Malgré l’échec des chercheurs ont  retenté l’expérience avec cette fois avec en tête l’hypothèse que le lait produit par la chèvre naturellement riche pourrait compenser la faiblesse retrouvé des dans les années 90 ou la soie était de mauvaise qualité. Ce qui a été un succès, à nuancé.

La soie produite était finalement de bonne qualité (plus résistante que le kevlar…). Mais la quantité produite c’est avéré assez aléatoire, ce qui est très problématique pour une application industrielle qui nécéssite une production constante. Mais ce qui est certifié c’est que reproduire la soie d’araignée est possible.

IV: NOTRE CONCLUSION

Des jeunes start-up ont d’ailleurs annoncé fin d’année 2016 assuré un quota de production, qui n’a beau n’être qu’un chiffre nous permet quand même de dire que la soir

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• La soie d’araignées est en effet capable de surpasser l’acier.
  –Elle est 5 fois plus résistante que l’acier (bien que leur densité soit 6 fois moindre) et 3 fois plus que le kevlar (certaines, sont même encore 10 fois plus résistantes que ce dernier).
  -Elle est 2 fois plus souples que le nylon.
  -Elle présente une capacité d’absorption des chocs défiant toutes les lois de la gravité.
  -Elle est capables de s’allonger 5 fois et de reprendre leur taille initiale
  -Elle est tellement légères qu’une toile assez grande pour faire le tour de la terre ne pèserait que 320 grammes.
  -il faut dix fois plus d’énergie pour rompre une toile d’araignée que tout autre matériau biologique similaire

Voici un diagramme qui montre que deux protéines composent essentiellement cette toile:

• La séricine (de formule brute C12H25N5O8) n’est pas à l’origine des qualités textiles de la soie ; elle ne lui donne que sa coloration. Elle enveloppe et soude les filaments de fibroïne constituant le fil et ainsi se trouve vers les parties extérieures du brin.
• Les propriétés de la soie reposent donc sur la fibroïne (qui est, comme la séricine, une protéine). Il en existe deux sortes : la spidroïne 1 et la spidroïne 2. Celles-ci se caractérisent principalement par leur différence en proline (de formule brute C5H9NO2) et tyrosine (de formule brute C9H11NO3) qui sont deux acides aminés. La fibroïne (ou comme on l’a vu spidroïne) est une molécule complexe composée majoritairement d’une combinaison de 2 acides aminés spécifiques au fil d’araignée : la glycine (42%) et l’alanine (25%).)

• (Il existe deux régions qui présentent des séquences répétitives d’acides aminés : une séquence riche en alanine et une séquence riche en glycine. Ces séquences répétitives d’acides aminés donnent lieu à des structures fortement cohérentes qui procurent au fil de soie ses propriétés uniques.
• En effet la séquence riche en alanine forme une structure repliée appelée feuillet bêta. Cette structure aussi appelée la forme secondaire d’une protéine s’apparente à un feuillet de papier en accordéon. Lorsque la protéine de soie se replie, les feuillets bêta se juxtaposent pour produire une protéine densément constituée (comme le montre la figure ci-dessus).
• Les feuillets bêta, de plusieurs protéines, sont maintenus entre eux par plusieurs liaisons hydrogènes pour former des cristallites bêta, qui donnent à la soie sa force et sa résistance. Pour sa part, la séquence riche en glycine forme des spirales. Ces spirales ne sont modifiées qu’au moment où la soie est sécrétée ou étirée. Au moment de leur sécrétion, les spirales forment un type d’hélice particulier.
• Ce type d’hélice augmente davantage la résistance mécanique de la soie d’araignée, elle est appelée hélice 31. Ces hélices confèrent à la soie d’araignée son élasticité qui peut être comparée à un ressort. A titre d’exemple, une toile de deux microns de diamètre peut soutenir un poids de un gramme, une de un ou deux millimètre peut soutenir un poids de 65 kg, et une toile ayant pour diamètre celui d’un pouce pourrait servir pour soutenir un pont suspendu !)

• Ce matériau pourrait servir à la création de gilets pas balles, plus légers, plus fins et plus efficaces. On estime aussi qu’il pourrait servir a la création d’outil médicaux, tels que des valvules artificielles pour le cœur, des os, des tendons factices, des sutures pour les plaies qui ne laissent pas de cicatrices, ou même de nouvelles ceintures de sécurités qui disposent de la meilleure élasticité que les actuelles ceintures de sécurité.

• Les chercheurs rencontrent toutefois un problème: les arachnides se mangent entre elles en élevage. Leur toile ne peut donc pas être produites dans de grandes quantités, et donc ne peut donc pas être vendues  . Les chercheurs ont donc cherchés un autre moyen pour en posséder. Et ils ont trouvés la réponse dans…. le lait de chèvre ! En effet, les scientifiques ont réussit à récolter de la spidroïne en collectant du lait de chèvres génétiquement modifiés. Au Canada, il y a déjà un élevage d’une centaine de chèvres capable de fabriquer cette protéine.

• Si les chercheurs ne rencontrent pas d’autres  problèmes, la soie devrait être Si tout se passe bien, des sutures en fil d’araignée pourraient bientôt être commercialisées. Mais pour les autres applications, il reste encore beaucoup à faire, notamment améliorer la qualité des fibres et augmenter la taille du troupeau. Mais ce n’est pas demain qu’on verra des policiers vêtus de vestes pare-balles en fil d’araignée !