Is spider silk really stronger than steel?

Cette vidéo explore les propriétés exceptionnelles de la soie d'araignée et les défis liés à sa production industrielle. La soie d'araignée est réputée pour être plus résistante que l'acier et dix fois plus solide que le Kevlar. Pour vérifier ces affirmations, une équipe s'est rendue au Blackledge Spider Lab de l'Université d'Akron, un centre de recherche de pointe sur la soie d'araignée. Il existe sept types de soie d'araignée, mais la plus solide est la soie de traînée (dragline silk), utilisée pour ancrer la toile. Pour tester sa résistance, une araignée est endormie au CO2 et sa soie de traînée est extraite manuellement. Un filament est ensuite soumis à une machine qui mesure sa résistance à la traction. La résistance à la traction ultime est la force appliquée divisée par la surface de la section transversale au moment de la rupture. Un échantillon de soie d'araignée a atteint environ 600 mégapascals. Pour donner une idée, une corde de soie d'araignée d'un centimètre carré de section transversale pourrait supporter le poids d'un éléphant d'Afrique adulte. La soie de l'araignée de Darwin (Darwin's bark spider), originaire de Madagascar, est encore plus résistante, avec une résistance à la traction ultime d'environ 1 600 mégapascals, soit plus du double de l'échantillon testé. Bien que les aciers à très haute résistance puissent atteindre près de 3 000 mégapascals, ils sont six fois plus denses. Ainsi, pour une masse et une longueur égales, la soie d'araignée peut supporter environ deux fois plus de force que l'acier avant de se rompre. C'est ce qu'on appelle la résistance spécifique. La force seule ne suffit pas ; la ténacité est également cruciale. La ténacité est la capacité d'un matériau à absorber de l'énergie avant de se rompre. La soie d'araignée est très extensible, l'échantillon testé s'étirant jusqu'à 70 % de sa longueur avant de rompre. Cette extensibilité permet d'absorber l'énergie cinétique, comme lorsqu'un insecte frappe une toile. Sur un graphique contrainte/déformation, la ténacité est proportionnelle à l'aire sous la courbe. Le Kevlar a une ténacité d'environ 50 mégajoules par mètre cube, l'acier à très haute résistance environ 170, mais la soie d'araignée testée a atteint 205 mégajoules par mètre cube. La soie de l'araignée de Darwin peut atteindre un pic de ténacité de 520 mégajoules par mètre cube, soit environ trois fois l'acier le plus résistant et dix fois le Kevlar. Le secret de la résistance de la soie d'araignée réside dans l'arrangement de ses protéines, les spidroïnes. Celles-ci sont organisées en nanocristaux rigides et en régions amorphes élastiques. Les régions amorphes permettent l'étirement et l'absorption d'énergie, tandis que les nanocristaux confèrent la résistance. Malgré ces propriétés incroyables, la soie d'araignée n'est pas utilisée à grande échelle. La principale difficulté est la production. Les tentatives d'élevage d'araignées ont échoué car elles sont cannibales. L'extraction manuelle est laborieuse, une araignée coopérative ne produisant qu'environ 300 mètres de soie. Cela rend la soie naturelle extrêmement chère, environ 7 millions de dollars le kilogramme, soit 50 fois le prix de l'or. Les scientifiques ont donc cherché à produire de la soie d'araignée synthétique. Dans les années 1990, DuPont a inséré les gènes des protéines de soie d'araignée dans des bactéries E. coli et de la levure. En 2001, une équipe allemande a utilisé des plantes comme le tabac et les pommes de terre. Une entreprise canadienne, Nexia, a même créé des "chèvres-araignées" génétiquement modifiées qui produisaient du lait contenant des protéines de soie d'araignée. Bien que ces méthodes aient réussi à produire les protéines, le défi résidait dans leur transformation en fibres de soie. Le processus de filage de la soie chez l'araignée est complexe. Il commence dans la glande séricigène, où les spidroïnes sont sécrétées dans un fluide. Les spidroïnes s'assemblent en micelles, puis en globules, avant d'entrer dans le canal de filage. Ce canal rétrécit et le pH diminue, provoquant l'alignement et la liaison des protéines. Enfin, le liquide est étiré à travers une petite ouverture, ce qui resserre les spidroïnes pour former la fibre. Personne ne comprend encore complètement ce processus, ce qui rend sa reproduction en laboratoire difficile. Face à ces difficultés, des chercheurs de Kraig BioCraft Laboratories ont exploré une approche différente : modifier génétiquement des vers à soie pour qu'ils produisent de la soie d'araignée. Les vers à soie sont élevés depuis près de 5 000 ans et sont faciles à cultiver en grandes quantités. L'équipe injecte l'ADN de l'araignée dans les œufs de vers à soie, en utilisant des transposons (gènes sauteurs comme piggyBac) pour insérer le gène de la soie d'araignée dans le génome du ver. Pour identifier les vers transgéniques, ils utilisent une protéine fluorescente verte qui fait briller les cocons. Actuellement, la soie transgénique produite par les vers à soie ne contient qu'environ 6 à 10 % d'ADN d'araignée, mais elle atteint déjà 60 % des performances mécaniques de la soie d'araignée pure. L'objectif est de créer des vers à soie "knock-in/knock-out" où le gène natif de la soie du ver serait entièrement remplacé par celui de l'araignée, en utilisant des outils comme CRISPR-Cas9 pour un ciblage plus précis. Plusieurs entreprises explorent la soie d'araignée synthétique. AMSilk en Allemagne fabrique des protéines pour des fibres, des revêtements et des hydrogels. Spiber au Japon produit des fibres par fermentation, déjà utilisées par des marques comme Goldwin et The North Face. L'armée américaine a financé Kraig pour développer des panneaux balistiques à base de soie transgénique pour des gilets pare-balles potentiels. La soie d'araignée est également explorée en médecine, par exemple par Newrotex pour la réparation nerveuse. La vidéo se termine par une démonstration spectaculaire : un homme tente de se balancer avec une corde fabriquée à partir de soie d'araignée transgénique. La corde, bien que très fine et composée de plusieurs filaments, supporte son poids. Cependant, sa finesse extrême peut causer des coupures, soulignant un défi pratique. Le défi est lancé à des acteurs comme Tom Holland pour tester la soie d'araignée. En conclusion, la soie d'araignée est un matériau aux propriétés extraordinaires, plus résistant et plus tenace que l'acier et le Kevlar. Les défis de sa production naturelle ont conduit à des recherches intensives sur la fabrication synthétique, notamment via la modification génétique de vers à soie. Bien que des progrès significatifs aient été réalisés, la reproduction complète du processus de filage de l'araignée reste un défi scientifique majeur. Si ces obstacles sont surmontés, la soie d'araignée pourrait révolutionner de nombreux domaines, de l'habillement aux implants médicaux.