Silkesmaskar är silkesmalens larver, en av tusentals insektsarter som sveper in sig i kokonger när de förbereder sig för metamorfos. Det är en av naturens mest flitiga insekter - och den enda som någonsin har tämjts.
Kineserna fullkomnade konsten att skörda singeln, en halv mil lång tråd som bildar varje kokong, omvandla masksilke till ett lyxigt tyg minst 5, 000 år sedan. Dr. Randy Lewis vid Utah State Universitys avdelning för biologisk ingenjörskonst vill förbättra den uråldriga praktiken – liksom många av hans konkurrenter inom det framväxande området för högpresterande biomaterial.
Silkworm silk gör underbara halsdukar och underkläder, men biologer har länge haft ögonen på spindelsilke. Banorna hos vissa spindeldjursarter har draghållfastheten av stål, samtidigt som den förblir helt elastisk. "Svårigheten är att spindlar är territoriella och kannibalistiska, säger Lewis. "Till skillnad från silkesmaskar, du kan inte bara sätta ihop dem alla och förvänta dig att de ska ha en trevlig, glad teservis." Kortfattat, spindlar har motstått alla ansträngningar för domesticering – för att inte tala om, vem skulle vilja odla spindlar? Och att buska genom djungeln för att skörda de bästa vilda spindelnäten är inte kostnadseffektivt.
För en geningenjör som dagdrömmer om spindelsilke producerat på ett kommersiellt gångbart sätt, det tar inte lång tid att koppla prickarna till foglig, gemensam silkesmask. I delar av Indien, Kina och stora delar av Sydostasien, de föds traditionellt upp i tusentals i små trälådor i hyddor av lantbruksbönder. Bonden måste också odla mullbärsträd, vars blad är det enda en silkesmask äter. Medan metoderna för att spinna silkestrådar till tyg har lindats in i den globala textilindustrins veck, bruket att höja maskarna och varva ner varje kokong för hand har varit förvånansvärt orörd av moderniseringens tentakler.
Inte så med silkesmaskar och deras gener, dock. Att mata silkesmaskar med konstgjorda färgämnen har producerat "förfärgade" sidentrådar som utesluter behovet av den kostsamma och giftiga sidenfärgningsprocessen (uppenbarligen utan att maskarna skadats). Forskare i Japan har konstruerat silkesmaskar för att spinna glöd-i-mörker-tråden för användning i high-end modedesign i hopp om att bygga en nischmarknad för silkes som kommer att sätta stopp för Kinas globala dominans av silkeshandeln.
Att mata silkesmaskar med konstgjorda färgämnen har producerat "förfärgade" sidentrådar som utesluter behovet av den kostsamma och giftiga sidenfärgningsprocessen.
Men den heliga graalen med genskarvning av sidenmask är att få den lilla larven att pumpa ut spindelsilke, ett ämne som kan vävas in i produkter som får Kevlar att se tunt ut. Intresserade parter har saliverat i flera år över de potentiella applikationerna, som går långt bortom tyger:den amerikanska flottan vill ha spindelsilke för sin förmåga att fästa vid vilket material som helst, även under vattnet; Department of Energy hoppas kunna göra fordon lättare och därmed mer bränsleeffektiva genom att integrera silkesproteiner i tillverkningen av dörrpaneler; och flygvapnet föreställer sig lättvikt, skottsäker pansar som är lättare att manövrera i under strid. De medicinska tillämpningarna finns över hela kartan:konstgjord hud för patienter med brännskador, bättre plåster, syntetiska ligament, mikrosuturer för ömtåliga organ som ögonen och mängden kirurgiska implantat och läkemedelstillförselmekanismer.
Efter årtionden av forskning, flera stora hinder kvarstår innan spindelsilketeknologier kommersialiseras. "De maskar vi har nu gör ungefär fem procent spindelsilke och nittiofem procent silkesmasksilke i sina kokonger, säger Lewis. De måste nå en tröskel på 20 till 30 procent spindelsilkeprotein innan han skulle känna sig säker på att skottsäkra silkesvästar kan vara en kommersiellt gångbar verklighet. Han varnar också för att "genen inte är så stabil som vi skulle vilja ... efter flera generationer börjar mängden spindelprotein att minska."
Om och när han är framgångsrik, Lewis kommer att behöva ställas inför FDA-godkännandeprocessen innan han kan börja skala upp sin verksamhet, vilket är strängt när det gäller genetiskt modifierade organismer. Silkesfjärilar har tämjts så länge att de inte längre kan flyga, vilket Lewis anser bör underlätta alla bekymmer som allmänheten eller reglerande organ kan ha över att det nya genetiska materialet kommer från gården och in i näringskedjan. "De har dessa små bittra vingar och jag garanterar dig, de kommer aldrig att ta sig av marken ... oddsen för att de kommer ut i naturen är noll."
Om de var tillåtna för jordbruksändamål, transgena silkesmaskar skulle vara den första grödan som inte är växt från labbet till fältet. Men han erkänner att kommersialisering kan motverkas av godkännandeprocessen. "Reglerna, uppriktigt sagt, är styvare än det skulle finnas något argument för att de skulle vara vetenskapligt, " han säger.
Medan hela konceptet med genteknik fortfarande är uppe för debatt, oavsett om det gäller växter eller djur, Lewis kan komma på många miljövänliga skäl för att genmanipulera silkesmaskar. Det förbättrade tyget har potential att ersätta syntetmaterial som nylon och kevlar, som är petroleumprodukter. Han listar också olika industriella tillämpningar där silkesprotein kan manipuleras till ett helt naturligt alternativ för lim, geler, beläggningar, svampar och tätningsmedel som för närvarande tillverkas med ämnen som är kända för att vara skadliga för miljön - om inte människors hälsa. Silke är i huvudsak en biokompatibel molekylär "ställning" som är genetiskt formbar nog för att ett antal fysiska eller biologiska egenskaper ska sys in i.
Silkesmasklarver.
Traditionella silkesodlingstekniker förblir i stort sett orörda av moderna metoder.
"Vi ser det här som en ganska grön teknik, säger Lewis. På samma sätt som att använda GMO-majs för att tillverka bioplast, Lewis ser sina silkesapplikationer som en liten bit av klimatförändringens pussel, gör sin del för att binda kol från atmosfären genom att "ta C02 och göra det till något som för närvarande är petroleumbaserat. Silkesmaskar äter växter som tagit [i] C02 och gör det till [silke]."
Men det kan dröja ett tag innan byborna i Kambodja föder upp spindelsilkeavgivande maskar, om någonsin. Även om tekniken så småningom visar sig vara framgångsrik, affärsmodellerna kring genetiskt modifierade organismer kan utesluta små, bönder i självhushåll – som för närvarande producerar nästan allt råsilke i världen – från att någonsin komma åt de förbättrade silkesäggen. "Med all sannolikhet, det skulle finnas ett mycket begränsat antal odlare som skulle vara mycket hårt kontrollerade, ” säger Lewis om den företagsstruktur han föreställer sig för att skydda det genetiska materialets immateriella rättigheter. "Låt oss vara ärliga, det finns delar av världen där de inte skulle bry sig om att ta tekniken själva och vända och sälja dessa produkter."
Enligt Lewis uppskattning, att ta tekniken utomlands verkar i bästa fall osannolikt. Eftersom det för närvarande inte finns någon form av kommersiell sidenproduktion i USA överhuvudtaget, det väcker frågan om vem som ska odla maskarna om, och när, FDA-godkännande beviljas. Kommer mycket lönsamma spindelsilkeodlingar att börja dyka upp på hemmaplan?
Det är för tidigt att veta, men om spindelsilkessnurrande maskar inte kommer ut, Lewis har fortfarande flera andra kort att spela. På vägen från USU-labbet där silkesmaskens vivarium är inrymt, det finns en säker anläggning som är hem för en liten flock getter som bär spindelsilkegener i sin mjölk. Inte långt därifrån finns ett lummigt fält av alfalfa, vars små ovala blad också innehåller lite spindeldjurs-DNA. Det finns ett annat labb på campus där kar med E. coli jäser, impregnerad med samma spindelgener (enligt Dr. Lewis, FDA-godkännanden för GE-bakterier är en promenad i parken jämfört med växter och djur).
Fiberbaserade applikationer som skottsäkra västar och militära fallskärmar är inte möjliga med spindelsilkeproteinerna som Lewis extraherar från getmjölk, alfalfa hö och E. coli, men många av de andra föreslagna medicinska och industriella produkterna är det. I händelse av att ett av Lewis spindelsilkeprojekt går vidare till kommersialisering, det kommer att bli en guldgruva för de företag som köper licensrättigheterna. Fördelarna för bönderna, näringskedjan eller ekosystemen är mindre tydliga.
