Même si un pas de plus a été fait, la soie d’araignée n’a sans doute pas encore livré tous ses secrets. © bella67, Pixabay, CC0 Creative Commons

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Soie d’araignée : les secrets de sa résistance enfin révélés

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La soie d'araignée présente des qualités exceptionnelles que les scientifiques aimeraient reproduire. Avant cela, il faut comprendre le mécanisme qui préside à sa formation. Et une équipe japonaise semble avoir fait un pas de plus en ce sens.

Extrêmement résistante et en même temps, étonnamment flexible, la soie d'araignée intrigue autant qu'elle intéresse les chercheurs. Car une telle soie, produite à grande échelle, pourrait trouver bien des applications. Encore faut-il comprendre les mécanismes de sa formation. Et c'est ce que des chercheurs de Riken, un institut de recherche japonais, pensent avoir fait.

Rappelons que le fil de traîne produit par les araignées est composé, aux deux tiers quasiment, de protéines filamenteuses - les fibroïnes - elles-mêmes formées notamment d'un empilement de feuillets bêta. Ce sont ces feuillets justement qui confèrent à la soie d'araignée sa résistance hors du commun. Les scientifiques se sont donc interrogés sur leur formation.

L’étude des chercheurs japonais révèle deux populations structurales majeures. En noir, les hélices polyproline de type II qui semblent être les précurseurs (prefibrillar form) des fibres de soie. Soumises à des changements dans leur environnement biochimique (dehydration = déshydratation, shearing forces = forces de cisaillement, extensional flow = flux extensionnel), elles génèrent les fibres de soie d’araignée que nous connaissons. © Nur Alia Oktaviani, RIKEN

De la phase soluble aux feuillets bêta

Grâce au concours de méthodes de pointe, ces chercheurs japonais sont parvenus à analyser les protéines de base de ces feuillets bêta, dans leur phase soluble. Ils ont découvert, entre les éléments terminaux de ces protéines déjà caractérisés par ailleurs, essentiellement deux types de motifs récurrents. L'un d'eux, les hélices polyproline de type II, semble jouer un rôle fondamental.

Ces hélices, en effet, seraient capables de former une structure rigide susceptible ensuite de se transformer rapidement en feuillet bêta. Le tout en réponse à des changements qui apparaissent dans l'environnement biochimique (déshydratation, etc.). Et contrairement à ce que les chercheurs soupçonnaient, le pH du milieu ne semble pas influer sur la formation de ces feuillets bêta.

Pour en savoir plus

Pourquoi la soie d’araignée est-elle si résistante ?

La soie d'araignée tire son élasticité et sa résistance de sa composition particulière et complexe. Aujourd'hui, des chercheurs semblent avoir percé ses secrets et possèdent désormais les clés pour recréer artificiellement une matière de même résistance.

Article de Claire Peltier paru le 03/03/2011

 Solide comme l'acier, plus résistante que la fibre d'aramide (mieux connue sous la marque déposée Kevlar) pour une densité plus faible que le coton ou le nylon. Cette matière étonnante existe, et n'est autre que la soie d'araignée. Sur une toile, chaque fil peut absorber de grandes quantités d'énergie sans rompre, comme lors de l'impact d'un insecte volant.

L'ensemble de ces qualités uniques ont fait rêver pendant longtemps les scientifiques, qui aimeraient bien parvenir à recréer ces propriétés artificiellement pour confectionner des objets très résistants. Mais aujourd'hui encore, les fibres artificielles n'atteignent pas le niveau qualitatif des fibres naturelles, et des arachnides cultivées dans ce but s'entredévorent. Il est donc nécessaire de mieux comprendre l'origine des incroyables propriétés de la soie d’araignée, un secret finalement percé par des biophysiciens de l'Institute for Theoretical Studies basé à Heidelberg en Allemagne.

La soie : un entremêlement de deux peptides

Comme celle du ver à soie, la fibre des araignées est constituée d'un subtil mélange de deux composants : l'un cristallin et l'autre amorphe. L'élément cristallin, qui représente environ 10 à 25 % de la fibre, est formé de l'assemblage de petits peptides de 6 à 10 acides aminés contenant des répétitions d'alanine ou d'alanine et de glycine. Ces peptides s'organisent en cristaux de 2 à 5 nanomètres de côté, grâce à des liaisons hydrogènes entre différentes couches d'acides aminés superposés (qui forment la structure appelée feuillet β). 

La soie d'araignée est constituée de composants cristallins très organisés (rose) et amorphes, plus désordonnés (bleu). © Biophysical Journal

Au contraire de son acolyte, le composant amorphe n'est pas constitué d'un réseau de molécule organisé. Les peptides qui le constituent sont plus longs et plus riches en acide aminé glycine, et leur empilement semble aléatoire. Si la composante amorphe est nécessaire à l'élasticité de la soie, et assure la répartition de la tension tout le long du fil, les cristaux, quant à eux, rendent la structure solide.

Deux modélisations pour comprendre l'origine de la résistance

Pour mieux comprendre le rôle et les interactions existant entre les deux types de matière, les chercheurs ont utilisé deux outils de modélisation à deux échelles différentes. La première est la simulation de dynamique moléculaire, qui permet de modéliser le mouvement d'un groupe d'atomes dans le temps. Connaissant les séquences exactes des protéines impliquées dans les deux composants de la soie de l'épeire diadème (Araneus diadematus) et les interactions respectives de chacun des 300.000 atomes pris en compte, un savant calcul basé sur des algorithmes permet de les imaginer en action.

En plus de l'échelle atomique, une seconde méthode de modélisation (méthode des éléments finis) s'intéressant cette fois à l'échelle globale du fil de soie a été utilisée. Elle est utilisée couramment pour permettre de représenter idéalement des objets sous forme de maillage, où chaque maille possède des paramètres particuliers et connus. Concrètement, la résistance d'une voiture à un choc peut être modélisée de cette façon, grâce aux calculs permettant d'observer le réarrangement du maillage.

Cette double approche, appliquée à la modélisation de différentes architectures de la fibre de soie, a permis aux chercheurs de montrer que la meilleure résistance est obtenue lorsque les composants cristallins et amorphes se succèdent sous forme de disques empilés, plutôt que lorsqu'ils s'associent de façon aléatoire. Ces résultats, publiés dans la revue Biophysical Journal, devraient alors permettre d'aider à recréer artificiellement cette matière unique qui continue de fasciner.

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