INTRODUCTION

L’araignée, qui tiendrait son nom de la mythologie grecque « Arachnée » est un arthropode invertébré.

Contrairement à ce que l’on pourrait penser, elle ne fait pas partie de la classe des insectes mais des arachnides et se distingue de cette catégorie par la forme de son corps, son nombre d’yeux, la présence ou non de crochets à venin et d’organes de production de soie.

De nos jours, plus de 40 000 espèces d’araignées ont été découvertes dans le monde, dont 5 700 en Europe.

La particularité de ce redoutable prédateur est sa capacité à fabriquer de la soie, notamment sous forme de toile dont la géométrie est très variée en fonction de l’espèce. Les fils peuvent être plus ou moins élastiques et résistants, collants ou non suivant le type de toile fabriqué, et certaines araignées parviennent même à produire jusqu’à sept sortes de fils différents.

Déjà à l’Antiquité les Grecs utilisaient ces fils pour faire des pansements, tandis que les Égyptiens s’en servaient comme désinfectant car ils contiendraient naturellement une substance de type antibiotique faible.

Cependant, récemment, la soie est devenue sujet de nombreuses recherches notamment à cause de ses propriétés hors du commun. Mais d’où viennent-elles ? De nombreux chercheurs tentent de la synthétiser par le biais d’autres espèces. Un véritable engouement s’est formé autour de cette matière, mais pourquoi ? Grâce aux nouvelles avancées scientifiques, existe-t-il une nouvelle utilisation de ce produit ?

Pourrait-on utiliser la soie d’araignée dans le domaine médical ?

Nous allons donc nous intéresser en premier à la toile en elle-même et à ses capacités, puis nous verrons de quelle manière il est possible de l’exploiter à des fins thérapeutiques.

I – PRÉSENTATION DE LA SOIE

A. COMMENT LA SOIE EST-ELLE FABRIQUÉE ?

anatomie

C’est dans l’abdomen de l’araignée que la confection de la toile commence, et est sécrétée sous forme de fluide non-newtonien (voir expérience I-C). Cette protéine fibreuse est créée par les glandes séricigènes. L’araignée possède différents types de glandes pour pouvoir fabriquer différents types de toile :

– les glandes tubuliformes produisent la soie qui entourera les oeufs
– les glandes ampullacées fournissent les fils de la spirale auxiliaire et la soie de structure de la toile
– les glandes aciniformes permettent à l’araignée d’envelopper ses proies
– les glandes piriformes lui servent à fixer sa toile aux supports
– les glandes agrégées lui procurent l’enduit aqueux de la spirale de capture
– et les glandes flagelliformes sont utilisées pour les fibres centrales de la spirale de captureCapture

La plupart des araignées possèdent 6 glandes mais ce n’est pas le cas de toutes les espèces.

Les acides aminés nécessaires à la production de la soie se trouvent dans le sang de l’araignée, l’hémolymphe, et c’est justement dans ce liquide que se situent les glandes séricigènes. Elles peuvent donc puiser tous les acides aminés dont elles ont besoin.

La soie, sous forme liquide, est donc fabriquée au sein des glandes séricigènes et suivra un long cheminement avant de devenir solide, telle que nous la connaissons. Chaque glande correspond à une filière, appendice mobile qui file la soie, en forme de cône,  situé plus ou moins à l’extrémité de l’abdomen (selon l’évolution de l’espèce) et au bout de laquelle se trouve des fusules (un fusule étant l’orifice par lequel la soie est sécrétée). Cependant la fabrication de la soie ne s’opère pas en une seule étape, elle se fait en deux temps : dans une première zone les protéines du corps de la soie sont produites, puis c’est au tour des protéines de l’enveloppe de la soie dans une seconde zone.

À ce moment-là, le cristal liquide (liquide dont les molécules sont ordonnées) est composé de 30 à 40% de polymères (molécule formée de plusieurs molécules plus petites liées entre elles par des liaisons covalentes et de même nature chimique) et de 60 à 70% d’eau, et chemine dans des conduits de plus en plus étroits jusqu’aux fusules. Afin de solidifier la soie, celle-ci va être mise en contact avec des d’ions hydrogènes (H+), sodium (Na+) et potassium (K+) qui ont pour but de séparer le solvant des protéines et donc de permettre à ces dernières de s’associer entre elles en s’étirant et en se plaçant les unes derrière les autres.

En sortant au niveau des fusules, l’araignée exerce une traction sur la soie et de la pyridine l’accompagne pour absorber le restant d’humidité (composé hétérocyclique simple et fondamental), lui permettant ainsi de se solidifier entièrement. Ce sont alors plusieurs fibrilles d’environ 0.05 µm de diamètre qui vont s’entremêler jusqu’à former le fil de 25 à 70 µm que nous connaissons très bien.

filières

A : zone de production des protéines du corps de la soie.
B : zone de production des protéines de l’enveloppe de la soie.
C et D : tunnel en « s » qui se rétrécit de plus en plus.
E : dispositif permettant de bloquer la sortie du fil.
F : fusule.

B- DIFFÉRENTS TYPES DE FIL ET DE TOILE.

L’araignée peut fabriquer plusieurs types de fils selon l’utilisation qu’elle veut en faire, mais étant donné qu’ils ne possèdent pas exactement la même constitution, ils n’ont pas forcément les mêmes propriétés :

  • solide, résistant et non-collant pour le fil de traîne qui sert à fabriquer la structure de la toile et pour le fil de sécurité à laquelle l’araignée est accrochée et qui lui permet de remonter jusqu’à sa toile en cas de chute
  • résistants, fins, souples et collants pour les fils qui forment la spirale et sur lesquels vont se heurter les proies
  • résistant et collant pour la fixation de la toile à des supports
  • celle destinée à envelopper les proies est collante et résistante
  • un fil avertisseur pour les araignées qui ne restent pas sur leur toile leur sert à capter les vibrations qu’un insecte produit en se piégeant dedans
  • le fil de la Vierge est souvent utilisé par les jeunes araignées. Elles en tissent un long et se laissent porter au grès du vent jusqu’à un nouveau territoire
  • les femelles produisent une soie résistante pour envelopper le cocon et une autre plus douce pour y mettre les œufs
  • les mâles fabriquent une toile spermatique qui servira à la reproduction

Quelques espèces d’araignées ne produisent pas de toile, mais exploitent leur soie d’une autre manière pour chasser, par exemple en façonnant un piège de soie entre leurs premières pattes et en le projetant sur un insecte lorsqu’il passe, ou bien simplement en laissant pendre un fil de soie.

La plupart du temps, la forme de la toile diffère en fonction de l’espèce d’araignée, mais on ne pourrait pas attribuer une forme à chaque espèce car il en existe des similaires.
Voici les types de toile les plus courants :

TOILES

C. COMPOSITION CHIMIQUE DE LA SOIE

La soie d’araignée est un biomatériau composé à 63.5% de fibroïne, mais aussi de séricine à 22.5%. En ce qui concerne le reste, ce sont de la matière grasse, du minérale, et de l’eau.

fromage

La soie est un matériau composé de 2 types de domaines, un domaine qui lui assure sa solidité et un autre son extensibilité.

  • La fibroïne, aussi appelée spidroïne (spider = araignée en anglais), est une protéine de structure appartenant à la famille des protéines fibreuses. Elle est majoritairement composée de 3 acides aminés : alanine, glycine, sérine (ainsi que de tyrosine, tryptophane, phénylalanine mais en quantités plus restreintes).

fibroine-structure-primaireComposition de la fibroïne en acides aminés

C’est une protéine cristalline composée de feuillets bêta (β) et d’hélices alpha (α).

Les feuillets bêta sont riches en alanine et se lient grâce à des liaisons hydrogène, c’est pourquoi la soie à l’intérieur a une solidité comparable à celle de l’acier. Cependant ces liaisons restent faibles, donc faciles à rompre et participent ainsi à la flexibilité de la soie.

feuillet betaLes molécules de fibroïne forment par des liaisons hydrogènes des feuillets bêta

Les feuillets bêta sont antiparallèles, ce qui signifie que les acides aminés, pour une partie de la chaîne peptidique sont dans un sens défini, et que pour l’autre, ils sont disposés dans l’ordre inverse.hélice alpha

Les hélices alpha comportent des séquences riches en glycine et ont une forme enroulée car leur chaîne s’est retournée sur elle-même.

Leur forme en ressort et le fait que leurs acides aminés soient reliés par des liaisons hydrogène participent une nouvelle fois à la flexibilité du fil.

tertiary2fr

La fibroïne est non seulement composée de feuillets bêta, et d’hélices alpha, mais aussi de structures non-ordonnées. Et c’est l’assemblage de ces trois molécules qui donne au fil d’araignée ses propriétés extraordinaires.

Ensuite la séricine est une autre protéine qui entoure la fibroïne et c’est elle qui donne la couleur à la soie donc on en conclut que la fibroïne est à l’origine des propriétés extraordinaires de la toile.

compo
Ci-dessus nous avons la molécule de séricine et on peut remarquer les groupements amines (NH2) et des groupements hydroxyles (OH).

D. PROPRIÉTÉS DE LA SOIE

  • Fluide non-newtonien

La soie d’araignée est un fluide non-newtonien, c’est-à-dire que sa viscosité varie en fonction d’une pression mécanique. C’est ce que nous avons voulu reproduire en faisant une expérience.20150201_160724

Matériel :

– Maïzena
– Eau
– Récipient
– Balance

Nous avons donc mélangé ¼ d’eau et ¾ de maïzena, de la farine de maïs, pour obtenir un fluide non-newtonien, soit environ 300 g de maïzena et 100 mL d’eau.

Une fois que l’on a bien mélangé, on obtient une pâte assez épaisse et homogène. Puis, pour démontrer le principe du fluide non-newtonien, nous avons exercé une forte pression sur le fluide, notamment en formant une boule et en ne cessant de le faire bouger. La consistance de la pâte est alors proche de celle du solide, mais dès que l’on arrête d’exercer une pression, la pâte redevient liquide.

photo maizena(cliquez sur l’image pour voir l’expérience en vidéo)

  • Finesse

Comme tout le monde a déjà pu le remarquer, les fils d’araignée sont extrêmement fins, et nous avons voulu savoir à quel point. Nous avons donc mesuré leur diamètre par diffraction.
Le principe consiste projeter le faisceau d’un laser sur un fil dont on connait le diamètre puis de mesurer la taille de la tache de diffraction. On procède de même avec plusieurs fils afin d’obtenir une courbe d’étalonnage.

Liste du matériel :

– Laser
– Ecran/tableau avec feuille blanche
– Porte-diapositive
– Support élévateur
– Diapositives avec des fils de diamètres connus
– Mètre et règle
– Fil d’araignée

Nous avons placé le laser à 2,10m du tableau sur lequel nous avons accroché une feuille blanche pour mesurer la longueur de la tache.

exp diff               Porte diapositive et diapositive avec plusieurs fils                   Montage

Après avoir installé tout le montage, nous plaçons le faisceau du laser exactement sur un fil puis nous éteignons la lumière. Le laser forme alors une suite de traits sur la feuille, mais le trait qui nous intéresse est le plus grand, celui du milieu, appelé tache de diffraction. Nous faisons donc deux petits traits pour le délimiter et après avoir rallumé la lumière nous mesurons sa longueur.

exp diff 2                      Tache de diffraction                              Fil d’araignée sur la diapositive

Nous procédons de même pour tous les fils jusqu’à obtenir un tableau avec toutes les valeurs.

tableau

Une fois que nous avons notre tableau, nous faisons un graphique représentant le diamètre du fil en fonction de la longueur de la tache de diffraction.

courbe d'étalonnage

La longueur de la tache de diffraction pour le fil d’araignée est de 27 mm.
Nous nous sommes ensuite servi de l’équation de la courbe de tendance pour obtenir le diamètre de notre fil.

Y= -6,7957x+234,9
= -6,7957*27+234,9
= 51 µm

Cependant nous avons remarqué que notre fil était en fait composé de deux fils extrêmement fins. Nous avons donc décidé de diviser le résultat par deux, bien que cela ne soit pas très scientifique, nous le reconnaissons.

51/2=25.5 µm.

Nous pouvons donc penser que le fil d’araignée que nous nous sommes procuré et qui faisait partie de la spirale de la toile mesurait environ 25 µm, mais nous ne savons pas par quelle espèce il a été produit.

  • Résistance à l’environnement

La toile d’araignée est soumise à de nombreux aléas tels que la pluie,la neige, le vent etc… Même après cela, nous pouvons tous contacter qu’elle leur résiste. Par exemple, la pluie lorsqu’elle touche la toile elle s’y accroche sans l’endommager. Ce phénomène s’explique du fait que dans la toile il y a deux types de blocs : hydrophiles et hydrophobes.

  • Supercontraction

Quand la toile atteint un degré d’humidité relativement important, ses fibres raccourcissent de moitié et doublent de diamètre. On parle alors de phénomène de supercontraction. Cette remarquable propriété permet à la toile d’être beaucoup plus élastique.

  • Electrostaticité

Lorsqu’un insecte s’approche de la toile, celle-ci vient à sa rencontre. Elle n’est pas statique comme on pouvait le croire jusqu’à présent. Des chercheurs ont donc émis l’hypothèse que la toile et l’insecte possédaient des charges opposées.
Nous avons voulu tester l’expérience et avons chargé positivement un bâton de verre par frottement, puis nous l’avons approché d’une toile d’araignée. En effet, le résultat est surprenant : on peut voir la toile se déplacer pour venir se coller au bâton. Nous pouvons donc en conclure que la soie d’araignée est chargée négativement, car les charges opposées s’attirent. Nous avions filmé cette expérience, cependant nous l’avons supprimée car nous n’étions plus sûrs de son utilité.Dans la nature, les charges positives de l’insecte sont majoritairement dues au frottement de ses ailes.

  • Mémoire de forme

Si on tire sur un fil d’araignée jusqu’à engendrer une déformation, nous pouvons être sûr que le lendemain la toile d’araignée aura repris sa forme initiale, non pas parce que l’araignée l’a refaite mais parce que la soie est composée de molécules qui reviennent à leur forme de départ et c’est ce qu’on appellera la mémoire de forme. Imaginons qu’une opération de tendon se faisait à l’aide d’un fil de soie, si le fil subissait une déformation, la mémoire de forme permettrait au fil de revenir à sa première forme spontanément.

  • Isolation thermique

En observant bien une araignée, lorsqu’elle pond des œufs, elle les enroule dans une toile spécifique. Pour que les œufs soient suffisamment tempérés, la toile utilisée par l’araignée permet de conserver la chaleur. Donc la toile a une propriété de conservation thermique et supporte la chaleur.

  • Biocompatibilité
    (voir II.)
  • Antisepsie
    (voir II.)

II – LES APPLICATIONS DANS LE DOMAINE MEDICAL

Des scientifiques ont essayé de faire coexister la soie d’araignée et des cellules de peau humaine afin de voir quel en serait le résultat. La soie et les cellules n’étaient pas repoussées l’une de l’autre, elles ont même formé une liaison ensemble. Voilà une bonne piste pour des propriétés de biocompatibilité.
Comme nous l’avons vu précédemment lorsque la soie sort de l’abdomen de l’araignée de la pyridine accompagne la soie pour qu’elle absorbe l’humidité autour d’elle. Ensuite il y a une deuxième libération de phosphate d’hydrogène de potassium qui augmente l’acidité de la toile et cela permet de repousser les bactéries. Ainsi, on peut dire que la toile a des propriétés antiseptiques.

C’est pour ces raisons que l’utilisation de la soie d’araignée nous paraissait envisageable dans le cadre de sutures ou de greffes de peau. Nous avons par la suite approfondi nos recherches, et voici ce que cela a donné :

A. SUTURES

Tout d’abord nous allons aborder le sujet des sutures en chirurgie. Les sutures, en quelques mots, signifient une opération visant à coudre les lèvres d’une plaie. Cela fait depuis des millénaires que les opérations chirurgicales existent, allant de la suture au ventre d’une momie vieille de trois millénaires à la création d’un cœur artificiel.

Tout au long des siècles, les matériaux ont évolué, par exemple les tissus de textiles au temps des pharaons sont devenus, aujourd’hui, des fils synthétiques créés dans l’industrie.

Ces matériaux actuels se divisent en deux catégories : les classiques et les résorbables. Lorsque nous parlons de fils classiques ce sont des fils qui ne se dégradent pas spontanément et qui résistent aux molécules chimiques du corps (celles qui agissent lorsqu’un corps étranger pénètre dans l’organisme), ils sont le plus souvent utilisés sur des plaies externes sur lesquelles on peut les retirer aisément. Le deuxième type de fil est dit résorbable, c’est-à-dire qu’il peut se désintégrer de lui-même au bout d’un certain temps et donc son utilisation se retrouverait plutôt dans des opérations profondes où les chirurgiens n’auraient pas besoin de retirer ce dernier.

Expérience : résistance du fil de suture classique

Etant donné que nous cherchons à démontrer que le fil d’araignée aurait tout à fait sa place parmi les fils de sutures actuels, nous avons réalisé une expérience visant à comparer leur résistance respective.
Le fil de suture le plus adéquat aurait été un  résorbable, car tout comme la soie d’araignée il finit par se dégrader, cependant nous n’en avons pas trouvé en pharmacie. Nous avons donc réalisé l’expérience avec un fil classique.

Matériel :

– Balance
– Fil de suture classique
– Bouteille
– Eau

Faute de préparation l’expérience n’a pas pu être faite en salle de tp et nous ne disposions alors pas de matériel approprié. Nous nous sommes donc débrouillés avec ce que nous avions.

Il s’agissait donc de voir quelle masse pourrait supporter le fil de suture classique avant de se rompre. Pour cela, nous l’avons attaché à une bouteille que nous remplissions petit à petit d’eau en pesant à chaque fois le volume que nous ajoutions.

exp bouteille

Le fil a craqué lorsque la masse a atteint 800 g.

Il nous était impossible de procéder de même pour le fil d’araignée car étant donné sa finesse il aurait cassé dès le début. Nous nous sommes donc servi de données trouvées sur internet. Le fil d’araignée pourrait supporter jusqu’à 45 t/cm². Et nous avons ensuite converti nos résultats dans les mêmes unités pour pouvoir comparer.

Notre fil de suture classique mesurait 0.5 mm de diamètre et a supporté 800 g.

0.5 mm→0.005 cm²
Nous avons donc :
800 g→0.005 cm²
?→1 cm²

(1*800)/0.005=160 000 grammes, soit 0.16 tonne.
Le fil de suture classique supporte donc 0.16 t/cm², tandis que le fil d’araignée peut supporter 45 t/cm². Nous pouvons en conclure qu’au niveau de la résistance, le fil d’araignée surpasse largement le fil classique.

Expérience : résistance de la soie d’araignée à l’acide.

A présent, prenons par exemple les sutures faites au niveau de l’estomac. Nous avons réfléchi sur la question de quel type de fil devrait être utilisé pour ce type d’opération. En effet, nous avons pris en compte des facteurs tels que l’acidité de l’estomac, le type de profondeur etc.
La digestion se fait grâce aux fonctions mécanique, le brassage, et chimiques, mélange des aliments aux sucs gastriques tels que l’eau, l’acide chlorhydrique et les enzymes gastriques. L’acide chlorhydrique étant l’un des principaux facteurs d’acidité de l’estomac, nous avons voulu tester son efficacité sur la soie d’araignée. Si la soie résistait à l’acide alors le fil d’araignée pourrait servir dans le cadre de sutures gastriques.

Matériel :

– Acide chlorhydrique à 1 mol/L
– Eau distillée
– Micropipette
– Papier pH
– Portoir
– Tubes à hémolyse
– 2 pots de yaourt (poubelle)

Le pH de l’estomac étant compris entre 1.5 et 5, nous avons dans un premier temps dilué l’acide chlorhydrique jusqu’à obtenir un pH correspondant.
Pour cela nous avons prélevé 200 µL d’acide chlorhydrique avec la micropipette pour en  mettre dans 9 tubes à hémolyse. Puis nous avons prélevé des volumes d’eau allant de 1 à 8 mL et les avons ajouté dans chaque tube, tout en gardant une solution mère.

exp acideDilution de l’acide chlorhydrique

tableau acideTableau comportant le volume d’acide et le volume d’eau distillée

Ensuite nous avons testé le pH de chaque dilution en déposant une goutte sur un bout de papier pH :

papier phPapier pH de toutes nos solutions (mère et filles)

Nous pouvons observer que les papiers pH correspondant à 1.5 et 5 de pH sont les solutions comprises entre 3 et 6.

Après avoir enroulé une toile d’araignée autour d’un agitateur, nous l’avons plongé dans la solution dont le pH correspond à 1.5 pendant une semaine.
Cela donne :

tubes acide                           Avant                                                               Après

Nous pouvons constater que l’acide chlorhydrique n’a eu aucun impact sur la soie d’araignée, donc elle y résiste parfaitement et serait tout à fait apte à être utilisée comme fil de suture dans l’estomac.