Serat Impian

Laba-laba menggantung di tengah jaringnya pada pukul 3 pagi, dan jika Anda menyorotkan senter dengan tepat, sutera tersebut akan menangkap cahaya seperti kabel serat optik. Di satu sisi, sutra ini lebih tipis daripada rambut manusia, namun mampu menghentikan lebah yang melaju dengan kecepatan penuh tanpa putus. Lebah memantul. Jaringnya melentur. Laba-laba bahkan tidak bangun.

Demonstrasi fisika kecil ini telah membuat para ilmuwan material terobsesi selama tiga puluh tahun.

Inilah yang membuat obsesi tersebut menjadi rasional: sutra dragline laba-laba memiliki kekuatan tarik sekitar 1,0-1,5 GPa-sebanding dengan baja bermutu tinggi. Namun, inilah detail penting: sutra memiliki kerapatan sekitar seperenam dari kerapatan baja, yang berarti berdasarkan beratnya, sehelai sutra laba-laba lima kali lebih kuat dari baja dengan berat yang sama. Sutra ini lebih tangguh daripada Kevlar-bahan yang ada di rompi antipeluru-menyerap lebih banyak energi sebelum putus. Ia dapat meregang empat puluh persen dari panjangnya dan kembali dengan sempurna. Dan laba-laba membuatnya di dalam perutnya, pada suhu kamar, dari serangga dan air yang dicerna. Tidak ada pabrik. Tidak ada minyak bumi. Tidak ada tungku yang beroperasi pada suhu 1.500 derajat Celcius.

Lembaga pertahanan dan perusahaan swasta telah menggelontorkan ratusan juta dolar untuk mencoba menirunya selama tiga dekade terakhir.

Mereka masih belum bisa.

Cawan Suci yang Menolak untuk Ditemukan

Pada akhir tahun 1990-an, seorang peneliti di University of Wyoming berhasil mengkloning gen protein sutra laba-laba ke dalam seekor kambing. Media menjadi heboh. Waktu memuat artikel tentang rompi antipeluru yang akan merevolusi pertempuran. Kontraktor pertahanan mulai menelepon. Pemodal ventura mulai menulis cek.

Itu terjadi tiga puluh tiga tahun yang lalu.

Anda tetap tidak bisa membeli rompi antipeluru sutra laba-laba. Anda tidak bisa membeli tali sutra laba-laba, atau tali parasut sutra laba-laba, atau jahitan bedah sutra laba-laba dalam jumlah besar. Beberapa perusahaan tekstil butik akan menjual dasi $300 yang dibuat dari “serat sutra laba-laba,” tetapi bacalah keterangannya dengan cermat: biasanya merupakan campuran, dipotong dengan sintetis konvensional, dibuat dalam jumlah yang diukur dalam kilogram per tahun-bukan dalam jumlah berton-ton yang dibutuhkan untuk keperluan industri.

Inilah misteri utama dari ilmu pengetahuan material modern: kami tahu persis apa yang membuat sutra laba-laba bekerja. Kami telah memecahkan kode gennya, memetakan struktur molekulnya, dan menerbitkan ribuan makalah yang telah ditelaah oleh rekan sejawat yang menganalisis setiap nanometer arsitekturnya. Kami telah berhasil memproduksi protein pada bakteri, ragi, kambing, ulat sutera, dan bahkan alfalfa yang dimodifikasi secara genetik.

Namun, setelah upaya selama tiga dekade, investasi ratusan juta, dan beberapa bioteknologi paling canggih yang pernah dikembangkan manusia, sutra laba-laba pada dasarnya masih menjadi keingintahuan laboratorium.

Pertanyaannya bukanlah apakah sutra laba-laba itu luar biasa. Pertanyaannya adalah mengapa sesuatu yang begitu luar biasa-dan sangat dipahami-menolak untuk ada di luar laba-laba.

Mengapa Semua Orang Sangat Menginginkan Ini

Untuk memahami obsesi ini, Anda perlu memahami celah dalam dunia material yang tampaknya dirancang untuk diisi oleh sutra laba-laba.

Peradaban modern berjalan dengan sejumlah kecil material berkinerja tinggi. Jika Anda membutuhkan sesuatu yang ringan dan kaku, Anda menggunakan serat karbon-brilian untuk sepeda dan pesawat terbang, tetapi rapuh. Jika Anda membutuhkan sesuatu yang dapat menyerap benturan tanpa gagal, Anda menggunakan Kevlar-menyelamatkan nyawa dalam pelindung tubuh, tetapi berat karena kekuatannya. Jika Anda membutuhkan sesuatu yang sangat kuat dari segi berat, Anda menggunakan polietilena dengan berat molekul sangat tinggi-sangat baik untuk sarung tangan tahan potong, sangat buruk untuk apa pun yang membutuhkan kekakuan.

Setiap material memperdagangkan sifat-sifatnya. Kekuatan tinggi biasanya berarti kerapuhan. Ketangguhan biasanya berarti berat. Fleksibilitas biasanya berarti kelemahan.

Sutra laba-laba tampaknya melanggar aturan ini.

Ini berada di tempat yang ajaib pada kurva kekuatan-ketangguhan yang tidak dapat dicapai oleh bahan rekayasa. Seutas sutra dragline-yang digunakan laba-laba sebagai tali pengaman dan benang radial jaringnya-memiliki kekuatan spesifik yang sebanding dengan baja dan ketangguhan yang melebihi Kevlar. Bukan salah satu atau yang lain. Keduanya.

Konvergensi ini menciptakan momen langka berupa kesepakatan di industri yang sangat berbeda. Pentagon menginginkan pelindung tubuh yang lebih ringan yang dapat menyerap lebih banyak energi peluru. Produsen tekstil menginginkan kain dengan kinerja biodegradable yang tidak memerlukan minyak bumi. Perusahaan perangkat medis menginginkan jahitan biokompatibel yang tidak akan ditolak oleh tubuh. Insinyur kedirgantaraan menginginkan penambat dan komposit yang sangat ringan.

Mereka semua menginginkan sutra laba-laba.

Bahan ini tampaknya dibuat khusus untuk abad ke-21: lebih kuat dari apa yang bisa kita sintesis, diproduksi secara berkelanjutan, dan kompatibel dengan jaringan hidup. Pada masa-masa awal revolusi bioteknologi, ketika para ilmuwan baru saja belajar mengedit gen seperti kode perangkat lunak, sutra laba-laba tampak seperti bukti bahwa alam telah memecahkan masalah material yang paling sulit. Yang harus kita lakukan hanyalah menyalin resepnya.

Logikanya cukup menggoda: evolusi menghabiskan 400 juta tahun untuk mengoptimalkan materi ini. Kita hanya perlu meminjam cetak birunya.

“Bahan Sempurna” yang Ternyata Tidak Sempurna

Namun, di sinilah cerita menjadi menarik-dan di sinilah hype awal mulai terkuak.

Ungkapan yang selalu Anda dengar, “lebih kuat dari baja”, secara teknis benar, tetapi secara makna menyesatkan. Sutra laba-laba lebih kuat daripada baja berdasarkan beratnya-apa yang disebut oleh para insinyur sebagai kekuatan spesifik. Hal ini sangat penting jika Anda membuat pesawat terbang atau pesawat ruang angkasa, di mana setiap gramnya sangat berarti. Hal ini tidak terlalu penting jika Anda membangun jembatan atau gedung, di mana kekuatan dan kekakuan mutlak adalah hal yang Anda butuhkan.

Dan kekakuan? Di situlah keterbatasan sutra laba-laba menjadi sangat jelas.

Para ilmuwan material berpikir tentang kinerja dalam tiga dimensi utama: kekuatan (berapa banyak kekuatan yang dibutuhkan untuk mematahkan), kekakuan (seberapa besar ketahanan terhadap peregangan atau pembengkokan), dan ketangguhan (berapa banyak energi yang dapat diserap sebelum mengalami kegagalan). Anda bisa membayangkannya sebagai pertukaran tiga arah. Serat karbon memiliki kekuatan tinggi, sudut kekakuan tinggi, tetapi akan hancur jika terkena benturan. Kevlar mendominasi zona ketangguhan tinggi tetapi tidak terlalu kaku. Karet bersifat elastis tetapi lemah.

Sutra laba-laba melakukan sesuatu yang tidak biasa: sutra laba-laba memadukan kekuatan yang baik dengan ketangguhan yang luar biasa. Itulah kekuatan supernya-kemampuan untuk menyerap energi dalam jumlah besar tanpa putus, yang membuatnya ideal untuk menghentikan serangga yang terbang atau, secara teori, meredam kekuatan benturan.

Tetapi, bahan ini tidak sekaku serat karbon atau bahkan baja bermutu tinggi. Untuk aplikasi yang membutuhkan struktur yang kaku-rangka ruang angkasa, komponen otomotif, bahan konstruksi-sutra laba-laba tidak dapat bersaing. Bahan ini akan melentur dan berubah bentuk di mana Anda membutuhkan sesuatu yang dapat menahan bentuknya di bawah beban.

Lalu ada masalah stabilitas termal dan kimia. Kevlar dapat bertahan pada suhu hingga 400 derajat Celcius. Serat karbon bertahan lebih tinggi lagi. Sutra laba-laba? Ini adalah protein. Protein sutra laba-laba yang terhidrasi mulai mengalami denaturasi sekitar 60-80 ° C, meskipun serat kering dapat mentolerir lebih dari 200 ° C - masih jauh lebih rendah daripada aramid di lingkungan termal yang ekstrem. Paparkan pada sinar UV dalam waktu yang lama dan akan terdegradasi. Kena dengan pelarut tertentu dan ia akan larut.

Ini bukan masalah teknis kecil. Ini adalah kendala mendasar yang menghilangkan seluruh kategori aplikasi.

Pemasaran awal tidak pernah menyebutkan hal ini. Narasi “bahan ajaib” menyiratkan superioritas universal-bahwa sutra laba-laba memang lebih baik daripada alternatif sintetis secara keseluruhan. Hal ini menunjukkan bahwa setelah kami menemukan cara untuk membuatnya, setiap aplikasi berkinerja tinggi secara alami akan beralih.

Hal ini ternyata merupakan penyederhanaan yang berbahaya, dan mengungkapkan sesuatu yang lebih dalam mengenai keseluruhan upaya ini: rayuan filosofis biomimikri.

Ada keyakinan yang hampir romantis dalam ilmu material bahwa alam telah memecahkan masalah kita yang paling sulit, bahwa evolusi-dengan 400 juta tahun penelitian dan pengembangannya-telah mengoptimalkan solusi yang hampir tidak dapat kita bayangkan. Terkadang hal ini benar. Velcro berasal dari gerinda. Permukaan yang terinspirasi dari kulit ikan hiu mengurangi hambatan. Kaki tokek menginspirasi perekat baru.

Namun, sutra laba-laba menjadi kisah peringatan-contoh di mana “meniru alam” tidak lagi menjadi rekayasa yang cerdas dan justru menjadi jebakan. Karena inilah yang sebenarnya dioptimalkan oleh evolusi: pemangsa soliter yang perlu menangkap serangga terbang dengan menggunakan struktur yang dapat dihasilkannya sendiri, mendaur ulang ketika rusak, dan menyebarkannya tanpa energi atau alat dari luar.

Evolution tidak mengoptimalkan untuk: pabrik, margin keuntungan, hasil industri, kontrol kualitas, persetujuan peraturan, atau biaya per kilogram.

Laba-laba tidak peduli bahwa produksi sutranya “tidak efisien” menurut standar industri. Laba-laba tidak peduli bahwa prosesnya hanya bekerja pada skala kecil. Laba-laba tidak peduli bahwa setiap helai sutera membutuhkan ketelitian skala nano yang membutuhkan waktu beberapa detik untuk mencapainya. Laba-laba memiliki seluruh waktu di dunia, menggunakan tenaga kerja biologis gratis, dan mendaur ulang kesalahannya dengan memakannya.

Kami tidak memiliki kemewahan tersebut.

Siklus yang Tidak Akan Putus

Namun, setiap lima hingga tujuh tahun, judul yang sama kembali muncul: “Ilmuwan Menciptakan Sutra Laba-laba Super Kuat.” Siaran pers mengikuti sebuah template. Sebuah tim peneliti mengumumkan terobosan dalam memproduksi protein, atau peningkatan kecil dalam sifat serat, atau teknik pemintalan baru yang terinspirasi oleh pemintal laba-laba. Wartawan menyebutnya sebagai “pengubah permainan.” Majalah-majalah pertahanan memuat fitur-fitur yang menarik. Perusahaan-perusahaan modal ventura menjadwalkan pertemuan pitching.

Kemudian, diam-diam, tidak ada yang berubah.

Perusahaan-perusahaan yang telah mengumpulkan jutaan dolar beralih ke “pasar yang berdekatan.” Spin-out yang menjanjikan itu menjadi perusahaan perangkat medis, kemudian perusahaan konsultan biomaterial, lalu menjadi catatan kaki dalam pengajuan kebangkrutan. Para peneliti mempublikasikan temuan mereka, mencatat bahwa “peningkatan skala industri tetap menantang,” dan kembali ke laboratorium mereka.

Siklus ini telah berulang cukup sering sehingga telah menjadi genre jurnalisme sains tersendiri-bahan keajaiban yang selalu muncul lima tahun sekali.

Mengapa hal ini terus terjadi?

Sebagian di antaranya bersifat struktural. Jaring laba-laba secara visual sangat menakjubkan-mereka secara praktis merekam diri mereka sendiri. Video laba-laba melawan lebah adalah obat penenang untuk film dokumenter sains. Ungkapan “lebih kuat dari baja, lebih ringan dari bulu” adalah emas pemasaran. Tambahkan kata “biomimikri” dan Anda akan mendapatkan cerita yang menarik bagi para ahli teknologi, pencinta lingkungan, dan futuris secara bersamaan.

Setiap investor teknologi dalam mengetahui narasi yang akan terjadi: biomaterial revolusioner, total pasar yang sangat besar (militer, medis, tekstil), produksi yang berkelanjutan, dan jalur yang jelas menuju komersialisasi. Sutra laba-laba menyentuh setiap nada. Ini adalah dek presentasi yang sempurna.

Tetapi ada sesuatu yang lebih dalam. Setiap beberapa tahun, sebuah tim benar-benar mencapai sesuatu yang baru. Mereka mendapatkan protein untuk diekspresikan dengan hasil yang lebih tinggi dalam ragi. Mereka menemukan cara untuk mencegahnya menggumpal dalam larutan. Mereka merancang pemintal sintetis yang lebih baik yang semakin dekat untuk meniru proses alami laba-laba.

Ini adalah kemajuan nyata, yang diterbitkan dalam Alam atau Sains, dan mereka benar-benar memajukan bidang ini. Demonstrasi laboratorium yang menunjukkan kekuatan serat 10% yang lebih baik adalah kemajuan ilmiah yang sah. Hasil yang sama dikemas dalam siaran pers tentang “pelindung tubuh generasi berikutnya,” dan tiba-tiba siklusnya dimulai lagi.

Masalahnya adalah memajukan ilmu pengetahuan dan memajukan manufaktur bukanlah hal yang sama. Kemajuan ilmiah diukur dalam publikasi dan kutipan. Kemajuan industri diukur dalam ton per tahun dan dolar per kilogram. Kesenjangan tersebut-antara pembuktian konsep di laboratorium universitas dan pengiriman produk yang menguntungkan dalam skala besar-adalah tempat matinya sutra laba-laba, berulang kali, selama tiga dekade.

Kesenjangan yang Tidak Akan Tertutup

Inilah yang kami ketahui bagaimana caranya: memproduksi protein sutra laba-laba dalam jumlah industri dengan menggunakan organisme yang dimodifikasi secara genetik. Perusahaan-perusahaan telah mendemonstrasikan hal ini. Protein itu ada. Anda bisa membelinya, dalam jumlah terbatas, dari pemasok khusus.

Inilah yang tidak kita ketahui bagaimana caranya: mengubah protein tersebut menjadi serat yang mempertahankan sifat-sifat yang membuat sutra laba-laba menjadi istimewa-dengan biaya yang masuk akal secara komersial, dengan kecepatan yang dibutuhkan oleh produksi industri, dengan konsistensi yang dibutuhkan oleh pasar yang diatur.

Kesenjangan tersebut-antara tong berisi larutan protein yang mahal dan gulungan serat yang dapat digunakan-telah menelan ratusan juta dolar dan ribuan tahun waktu para peneliti.

Laba-laba melakukannya di dalam perutnya dalam waktu sekitar tiga detik. Kita masih belum tahu bagaimana caranya.

Itu tidak sepenuhnya benar. Kami tahu caranya, dalam artian kami bisa menjelaskan prosesnya dengan sangat rinci. Kelenjar sutra laba-laba adalah keajaiban kimia dan mekanik: kelenjar ini menyesuaikan pH, mengatur gradien ion, menerapkan gaya geser yang tepat, dan memicu perakitan molekul, semuanya secara bersamaan, dalam ruang yang lebih kecil dari sebutir beras. Kami telah memetakan setiap langkah pada resolusi molekuler.

Apa yang tidak dapat kami lakukan adalah mereplikasi proses tersebut di pabrik, dengan kecepatan dan volume yang diperlukan untuk bersaing dengan nilon, yang harganya sekitar $2 per kilogram dan yang kami produksi dalam jumlah yang diukur dalam jutaan ton per tahun.

Di sinilah jebakan biomimikri menjadi sangat jelas. Pemintal laba-laba bekerja karena bentuknya yang kecil, karena ia bekerja dengan lambat, karena ia terintegrasi ke dalam sistem hidup yang menyediakan kontrol biokimia yang tepat. Tingkatkan skala itu-menjadikannya lebih besar, lebih cepat, kompatibel dengan peralatan industri-dan fisika akan rusak. Dinamika fluida berubah. Gaya geser yang menyelaraskan protein secara sempurna pada skala laba-laba menciptakan turbulensi pada skala pabrik. Gradien ion yang bekerja dalam saluran mikroskopis menjadi tidak mungkin dipertahankan dalam pipa.

Bukan berarti kami tidak memahami laba-laba. Kami memahami mekanismenya dengan sangat detail. Masalahnya adalah pemahaman tidak diterjemahkan ke dalam rekayasa. Solusi laba-laba dioptimalkan dengan sangat baik untuk menjadi laba-laba. Sangat dioptimalkan untuk menjadi sebuah pabrik.

Ini adalah kebenaran yang tidak nyaman yang telah dicoba dipecahkan oleh industri sutra laba-laba selama tiga dekade: bahannya luar biasa, tetapi proses pembuatannya-yang mengubah protein cair menjadi serat padat-memerlukan tingkat kontrol skala nano yang tidak dapat dicapai oleh peralatan industri terbaik kami dengan kecepatan yang layak secara ekonomi.

Anda dapat memiliki serat berkualitas laba-laba dengan kecepatan skala laba-laba, menghasilkan gram per hari dengan biaya yang diukur dalam ribuan dolar per kilogram. Atau Anda dapat memiliki kecepatan skala industri, menghasilkan ton per hari-tetapi serat yang dihasilkan kehilangan sifat-sifat yang membuat sutra laba-laba menjadi istimewa sejak awal. Kekuatannya menurun. Ketangguhannya menurun. Anda akan mendapatkan serat sintetis yang mahal dan biasa-biasa saja yang tidak dapat bersaing dengan Kevlar atau bahkan nilon biasa.

Versi sains material dari prinsip ketidakpastian Heisenberg: Anda dapat mengetahui cara membuatnya, atau Anda dapat mengetahui cara menskalakannya, tetapi Anda tidak dapat mengetahui keduanya secara bersamaan.

Mengapa Ini Penting di Balik Sutra Laba-laba

Ini bukan cerita tentang teknologi yang gagal karena ilmu pengetahuannya salah. Sutra laba-laba bekerja. Itu ada. Laba-laba membuatnya secara terus menerus, dengan andal, sebanyak jutaan ton per tahun, didistribusikan ke seluruh ekosistem terestrial di Bumi.

Ini adalah kisah tentang kesenjangan yang brutal antara pencapaian ilmiah dan kelayakan komersial-antara apa yang mungkin dilakukan di laboratorium dan apa yang mungkin dilakukan di pasar. Ini tentang mengapa “meniru alam” adalah strategi yang menggoda tetapi sering kali menyesatkan bagi para insinyur. Ini tentang ketidaksesuaian struktural antara jadwal modal ventura (yang menuntut pengembalian dalam 7-10 tahun) dan siklus pengembangan ilmu material (yang biasanya membutuhkan 15-20 tahun dari konsep hingga skala komersial).

Yang terpenting, ini adalah tentang kesulitan gabungan untuk memecahkan bukan hanya satu masalah sulit, tetapi lima masalah secara bersamaan: memproduksi protein dengan harga murah, mempertahankan strukturnya, memintalnya menjadi serat dengan kecepatan industri, memastikan konsistensi batch-ke-batch, dan melakukan semua ini dengan biaya yang dapat bersaing dengan bahan yang telah dioptimalkan selama lima puluh tahun.

Sutra laba-laba menjadi contoh kasus biomimikri yang terlalu muluk-muluk. Fokus yang kuat pada replikasi alam telah mengalihkan perhatian industri dari tujuan yang sebenarnya: menciptakan serat berkinerja tinggi yang akan dibeli orang. Apakah serat tersebut berasal dari gen laba-laba atau pendekatan yang sepenuhnya sintetis tidak menjadi masalah-kinerja dan biaya adalah yang terpenting.

Perusahaan-perusahaan yang masih bertahan telah mempelajari pelajaran ini. Mereka diam-diam telah meninggalkan pendekatan biomimikri murni-mencoba menciptakan kembali proses laba-laba dengan sempurna-dan memilih bio-inspirasi: meminjam prinsip-prinsip yang sama sekali berbeda dengan menggunakan metode produksi yang sama sekali berbeda. Beberapa perusahaan telah beralih dari serat curah sepenuhnya, dan berfokus pada aplikasi medis dengan margin tinggi di mana beberapa gram bahan untuk implan bedah dapat dijual seharga ribuan dolar, sehingga biaya produksi menjadi tidak relevan.

Yang lain telah menyerah pada protein laba-laba sepenuhnya, merancang polimer sintetis yang meniru arsitektur molekuler sutra - struktur blok, keseimbangan kristal-amorf - tanpa beban biologis. Bahan-bahan ini tidak akan pernah menjadi sutra laba-laba yang “benar”, tetapi mereka mungkin benar-benar berhasil mencapai pasar.

Laba-laba masih bergelantungan di jaringnya, membungkus mangsanya dengan bahan yang dapat kita kagumi tetapi tidak dapat ditiru dalam skala besar. Setelah tiga puluh tahun, investasi miliaran dolar, dan ribuan makalah penelitian, kita mendapatkan pelajaran yang mendalam tentang inovasi: terkadang solusi yang paling elegan di alam adalah contoh yang paling buruk untuk industri.

Serat ajaib tetap menjadi keajaiban karena rahasianya-koreografi berskala nano yang terjadi dalam tiga detik di dalam perut laba-laba-menolak untuk diindustrialisasi. Kami telah menerjemahkan resepnya tetapi tidak dapat membangun dapurnya. Kami telah membaca cetak birunya tetapi tidak bisa membangun gedungnya.

Dan mungkin itulah kisah yang sebenarnya. Bukan berarti kita gagal meniru laba-laba, tetapi kita belajar-secara perlahan, mahal, dan berulang kali-bahwa beberapa pencapaian alam tidak dimaksudkan untuk ditiru sama sekali. Mereka dimaksudkan untuk mengajarkan kita bahwa evolusi dan rekayasa memainkan permainan yang sama sekali berbeda, dengan aturan yang sama sekali berbeda, mengoptimalkan untuk tujuan yang sama sekali berbeda.

Laba-laba tidak peduli dengan margin keuntungan atau jadwal modal usaha atau biaya per kilogram. Laba-laba hanya perlu menangkap makanan berikutnya.

Kami ingin mengubah dunia dengan seratnya. Laba-laba hanya ingin makan malam.

Ketidakcocokan itu, lebih dari tantangan teknis apa pun, adalah alasan mengapa serat impian tetap menjadi impian.

Mahakarya Alam: Apa yang Membuat Sutra Laba-laba Begitu Istimewa

Jika Anda mengambil sehelai sutra laba-laba dan melihatnya di bawah mikroskop elektron, Anda akan melihat sesuatu yang terlihat biasa-biasa saja-silinder yang halus dan seragam, sekitar lima mikron. Perbesar lebih dekat, ke tingkat molekuler, dan Anda akan menemukan sesuatu yang dideskripsikan oleh para ilmuwan material dengan kata-kata yang biasanya digunakan untuk katedral atau simfoni: elegan, presisi, dan terorkestrasi dengan sempurna.

Apa yang Anda lihat adalah solusi alam untuk masalah yang masih belum dapat ditiru sepenuhnya oleh ahli kimia industri: bagaimana membuat bahan yang kuat, tangguh, dan elastis secara bersamaan, hanya dengan menggunakan protein dan air, pada suhu kamar, dalam waktu tiga detik.

Rahasianya bukan pada bahan-bahannya. Rahasianya ada pada arsitekturnya.

Cetak Biru Molekuler yang Seharusnya Tidak Berfungsi

Mulailah dengan hal-hal yang mendasar. Sutra laba-laba adalah protein-khususnya, keluarga protein yang disebut spidroin. Jika Anda pernah belajar biologi di sekolah menengah, Anda mungkin mengingat protein sebagai rantai panjang asam amino yang dapat dilipat menjadi bentuk tertentu. Hemoglobin membawa oksigen. Insulin mengatur gula darah. Enzim mengkatalisis reaksi.

Protein sutra laba-laba melakukan sesuatu yang berbeda. Mereka membentuk struktur.

Di sinilah letak menariknya. Sebagian besar protein struktural di alam-kolagen di tendon Anda, keratin di rambut Anda-merupakan rantai yang relatif sederhana dan berulang. Mereka bekerja dengan cara yang sederhana: satukan molekul-molekul yang cukup banyak dan Anda akan mendapatkan sesuatu yang kuat.

Spidroin memang berbeda. Bentuknya modular, hampir seperti balok LEGO, dengan bagian-bagian berbeda yang memiliki fungsi yang sangat berbeda. Bayangkan sebuah rantai panjang yang terbuat dari segmen-segmen yang bergantian: beberapa bagian kaya akan asam amino alanin, tersusun secara berurutan dan secara alami membentuk lembaran kristal yang rapat. Bagian lain kaya akan glisin, menciptakan daerah amorf yang longgar dan fleksibel.

Hal ini tidak terjadi secara acak. Ini adalah arsitektur molekuler yang disengaja.

Blok-blok yang kaya alanin ini terlipat menjadi apa yang disebut oleh para ahli kimia sebagai beta-sheets-struktur datar dan berlapis di mana rantai protein saling bertumpuk satu sama lain seperti kertas dalam satu rim, yang disatukan oleh ikatan hidrogen. Daerah kristal ini kuat dan kaku. Mereka adalah kerangka serat, yang memberikan kekuatan tarik.

Blok yang kaya glisin melakukan hal yang sebaliknya. Mereka tetap longgar dan tidak teratur, membentuk daerah amorf yang dapat meregang dan berubah bentuk. Inilah peredam kejut serat, memberikan elastisitas dan penyerapan energi.

Secara terpisah, tidak ada struktur yang istimewa. Protein kristal kuat tetapi rapuh-mereka patah di bawah tekanan. Protein amorf bersifat fleksibel tetapi lemah - protein ini berubah bentuk secara permanen. Namun, gabungkan keduanya dalam rasio yang tepat, pada interval yang tepat, di sepanjang rantai molekul yang sama, dan sesuatu yang luar biasa akan terjadi.

Anda mendapatkan bahan yang dapat meregang seperti karet dan tahan seperti baja.

Hirarki yang Membuatnya Berhasil

Namun keajaibannya tidak berhenti pada tingkat molekuler. Rahasia sutra laba-laba adalah bahwa sutra ini tersusun secara hirarkis-struktur di dalam struktur di dalam struktur, dan setiap tingkat menambahkan kemampuan baru.

Pada skala nanometer, molekul spidroin individu sejajar sejajar satu sama lain, daerah kristalnya membentuk domain kecil dan kaku yang tertanam dalam matriks amorf yang lebih lembut. Anggap saja seperti tulangan pada beton, kecuali tulangan dan beton terbuat dari molekul yang sama, hanya saja dilipat secara berbeda.

Molekul-molekul yang selaras ini menyatu menjadi nanofibril-kabel protein yang berukuran sekitar 100 nanometer. Nanofibril berpilin menjadi fibril. Fibril-fibril tersebut menyelaraskan diri menjadi serat akhir.

Pada setiap tingkat, keselarasan sangat penting. Jika molekul-molekulnya bercampur aduk secara acak, serat akan kehilangan sebagian besar kekuatannya-daerah kristal tidak dapat berbagi beban, dan seluruh strukturnya akan hancur karena tekanan. Laba-laba mencapai keselarasan yang nyaris sempurna dengan mengendalikan bagaimana protein cair mengalir melalui saluran pemintalannya, menggunakan gaya geser dan pemicu kimiawi untuk membujuk molekul-molekul tersebut ke posisinya sebelum mengeras.

Di sinilah manufaktur manusia membentur tembok besar pertamanya. Kita bisa membuat protein. Kita bahkan bisa membuatnya terlipat dengan benar. Apa yang tidak bisa kita lakukan-tidak andal, tidak dalam kecepatan, dan tidak dalam skala besar-adalah membuat jutaan molekul protein tersusun dengan sempurna saat bertransisi dari cair ke padat.

Laba-laba melakukan hal ini dalam saluran yang lebih sempit dari rambut manusia, dalam waktu sekitar tiga detik, tanpa cacat, ribuan kali per hari.

Kami telah mencoba menirunya selama tiga puluh tahun.

Mengapa Sutra yang Berbeda Melakukan Pekerjaan yang Berbeda

Inilah sesuatu yang tidak disadari oleh kebanyakan orang: seekor laba-laba dapat menghasilkan hingga tujuh jenis sutra yang berbeda, masing-masing dioptimalkan untuk fungsi tertentu. Penenun bola yang duduk di taman Anda tidak hanya memintal satu bahan saja-ia menjalankan sebuah pabrik bahan.

Rangka struktural jaring-benang radial yang tidak lengket dan garis penyangga luar-dibuat dari sutra ampul utama, juga disebut sutra dragline. Inilah yang dipelajari oleh semua orang, “serat ajaib”. Serat ini kuat, tangguh, dan relatif kaku. Laba-laba menggunakannya sebagai tali pengaman saat ia jatuh dari permukaan, mempercayakan hidupnya pada sehelai benang.

Spiral penangkap lengket yang benar-benar menangkap serangga? Itu adalah sutra yang kental, terbuat dari kelenjar yang berbeda. Spiral ini lemah dibandingkan dengan tali serut-Anda dapat menariknya dengan mudah di antara jari-jari Anda-tetapi spiral ini sangat lentur dan dilapisi dengan tetesan glikoprotein yang lengket. Tugasnya bukan untuk menahan serangga, tetapi untuk menjebaknya cukup lama hingga laba-laba datang.

Kantung telur dibungkus dengan sutra silindris, yang keras namun fleksibel, dioptimalkan untuk melindungi telur tanpa menghancurkannya. Ketika laba-laba membungkus mangsanya, laba-laba menggunakan sutra aciniform, yang diproduksi dalam jumlah besar dan mudah mengikat dirinya sendiri.

Setiap sutra memiliki komposisi protein yang berbeda, rasio kristal-ke-amorf yang berbeda, dan sifat mekanik yang berbeda. Laba-laba tidak membuat satu bahan super. Laba-laba membuat seperangkat peralatan dari bahan-bahan khusus, masing-masing sangat cocok dengan tugasnya.

Industri ini memilih untuk fokus pada sutra dragline karena alasan sederhana: sutra ini memiliki sifat yang terbaik secara keseluruhan. Ini adalah serat Goldilocks - cukup kuat untuk aplikasi struktural, cukup tangguh untuk penyerapan energi, cukup elastis untuk menangani benturan. Ini adalah analog alami yang paling dekat dengan apa yang Anda inginkan untuk pelindung tubuh, tekstil berkinerja tinggi, atau komponen kedirgantaraan.

Tetapi fokus pada dragline ini juga mengungkapkan bias industri. Kami menginginkan satu bahan yang dapat melakukan segalanya-pengganti universal untuk Kevlar, nilon, dan serat karbon. Pendekatan alam berbeda: bahan khusus untuk tugas khusus, diproduksi sesuai permintaan dalam jumlah kecil.

Kami menginginkan sebuah komoditas. Alam memberi kami sebuah butik.

Apa Arti “Ketangguhan” Sebenarnya

Di sinilah kita perlu berhenti sejenak dan membahas secara spesifik tentang apa yang membuat sutra laba-laba benar-benar luar biasa, karena kata “kuat” sering kali dilontarkan secara sembarangan.

Dalam ilmu material, ada tiga sifat yang sangat penting namun berbeda:

Kekuatan adalah seberapa besar gaya yang dapat ditahan oleh suatu bahan sebelum putus. Tariklah kabel baja hingga putus-gaya yang dibutuhkan adalah kekuatan tariknya.

Kekakuan adalah seberapa besar suatu bahan menahan deformasi. Tekan papan kayu dibandingkan dengan bantalan busa-kayu lebih kaku karena hampir tidak bisa melengkung.

Ketangguhan adalah seberapa banyak energi yang dapat diserap oleh suatu bahan sebelum mengalami kerusakan. Ini adalah properti yang benar-benar penting untuk pelindung tubuh, perlindungan dari benturan, dan menangkap serangga terbang. Hal ini diukur dari area di bawah kurva tegangan-regangan-pada dasarnya, berapa banyak usaha yang harus Anda lakukan untuk mematahkan sesuatu.

Kekuatan sutra laba-laba yang sesungguhnya adalah ketangguhannya.

Kevlar memiliki kekuatan tarik yang lebih tinggi daripada sutra laba-laba secara absolut-sekitar 3,0-3,6 GPa dibandingkan dengan sutra laba-laba 1,0-1,5 GPa. Baja lebih kaku. Namun tidak ada yang bisa menandingi kemampuan sutra laba-laba untuk menyerap energi. Ketangguhan Kevlar adalah 30 hingga 50 megajoule per meter kubik. Sutra laba-laba yang paling tangguh, dari laba-laba kulit kayu Darwin, dapat mencapai 350-520 MJ/m³-lebih dari sepuluh kali lebih tangguh dari Kevlar.

Ketika gaya menghantam Kevlar, kain menghentikannya dengan mendistribusikan benturan ke seluruh tenunan-tetapi serat Kevlar itu sendiri akan rusak karena pecah. Serat-serat tersebut putus karena kombinasi beban tarik yang berlebihan dan penarikan serat. Setelah putus, rompi akan rusak, dan pemakainya masih menyerap trauma benda tumpul yang signifikan.

Sutra laba-laba secara teoritis akan melakukan sesuatu yang berbeda pada kecepatan benturan sedang. Karena sutra ini memadukan kekuatan dengan perpanjangan yang tinggi - dapat meregang hingga 40% dari panjangnya - sutra ini menyerap energi benturan dengan cara berubah bentuk, bukannya pecah. Daerah kristal memberikan kekuatan, mencegah kegagalan total. Daerah amorf membuka, meregangkan dan menghilangkan energi seperti pegas molekul.

Pada tingkat molekuler, hal ini terjadi melalui mekanisme yang disebut ikatan pengorbanan. Ikatan hidrogen yang menyatukan struktur protein relatif lemah secara individual-ikatan ini akan putus di bawah tekanan. Namun, ada jutaan ikatan tersebut, dan tidak semuanya putus sekaligus. Sebaliknya, ikatan-ikatan tersebut putus secara berurutan, masing-masing menyerap sedikit energi. Rantai protein terbentang dengan cara yang terkendali, seperti kantung udara yang dipasang dengan hati-hati, bukan seperti balon yang meletus.

Inilah sebabnya mengapa sutra laba-laba dapat menghentikan lebah tanpa patah. Sutra meregang, menyerap energi kinetik lebah dalam waktu dan jarak yang lebih jauh, mengubah energi itu menjadi deformasi molekul daripada kegagalan struktural. Jaring memantul. Sutra menahan.

Kemudian-dan ini adalah bagian yang luar biasa-sutera pulih kembali. Daerah amorfnya kembali terbuka. Ikatan hidrogen terbentuk kembali. Serat kembali ke panjang aslinya, siap untuk tumbukan berikutnya.

Kevlar tidak bisa melakukan ini. Begitu serat-serat itu gagal, mereka akan rusak secara permanen.

Kombinasi ini-kekuatan tinggi, elongasi tinggi, dan pemulihan-adalah apa yang dimaksud oleh para ilmuwan bahan ketika mereka mengatakan bahwa sutra laba-laba menempati ruang yang unik pada selubung performa. Bahan ini tidak hanya tangguh untuk bahan biologis. Bahan ini lebih tangguh daripada hampir semua bahan yang telah kita rekayasa, baik alami maupun sintetis.

Masalahnya, tentu saja, ketangguhan tidak akan laku jika Anda tidak dapat memproduksi materialnya. Dan memproduksi dengan kualitas yang dicapai laba-laba-arsitektur kristal-amorf, keselarasan yang sempurna, rasio struktur dan fleksibilitas yang tepat-tetap menjadi tantangan yang belum terpecahkan.

Kami tahu apa yang membuatnya bekerja. Kami dapat melihatnya di bawah mikroskop, mengukurnya dengan difraksi sinar-X, memodelkannya dengan kimia komputasi. Kami telah menerbitkan ribuan makalah yang menjelaskan, dengan detail yang sangat bagus, mengapa sutra laba-laba begitu luar biasa.

Kami tidak bisa melakukannya.

Laba-laba berada di dalam jaringnya, menghasilkan bahan yang dapat kita gambarkan dengan sangat rinci namun tidak dapat ditiru, menunjukkan kemampuan manufaktur yang telah disempurnakan oleh evolusi selama 400 juta tahun dan yang masih belum dapat kita tandingi dengan semua bioteknologi dan ilmu material kita.

Kesenjangan antara pemahaman dan eksekusi itulah yang menjadi inti dari cerita ini. Karena ternyata mengetahui apa yang membuat sutra laba-laba istimewa sangat berbeda dengan mengetahui cara membuatnya sendiri-terutama ketika Anda harus melakukannya secara menguntungkan, dalam skala besar, di sebuah pabrik yang menjawab investor dan pelanggan daripada seleksi alam.

Cetak biru laba-laba itu sempurna. Kemampuan kita untuk mengikutinya tidak.

Gelombang Pertama: Janji yang Berani dan Jalan Pintas yang Gagal (1990-an-2000-an)

Pada tahun 1989, seorang ahli biologi molekuler bernama Randy Lewis melakukan sesuatu yang pada saat itu tampak seperti fiksi ilmiah. Dia mencoba meyakinkan seekor kambing untuk membuat sutra laba-laba.

Bukan memintal sutra laba-laba-yang akan datang kemudian, mungkin. Pertama, ia membutuhkan bahan mentah: protein cair yang dihasilkan laba-laba di dalam perutnya sebelum mengubahnya menjadi serat. Logikanya sempurna. Laba-laba saling mengkanibal satu sama lain, sehingga tidak mungkin diternakkan. Tapi kambing? Kambing jinak, produktif, dan telah dioptimalkan oleh ribuan tahun peternakan untuk menghasilkan protein dalam jumlah besar dalam susu mereka.

Yang perlu ia lakukan hanyalah memasukkan gen sutra laba-laba ke dalam genom kambing, menargetkannya ke kelenjar susu, dan membiarkan infrastruktur susu yang sudah ada di alam melakukan pekerjaannya.

Ketika berhasil-ketika kambing-kambing tersebut benar-benar menghasilkan susu yang mengandung protein sutra laba-laba-berita itu meledak. Ini bukanlah kemajuan tambahan. Ini adalah bioteknologi yang memenuhi janjinya yang paling berani: menulis ulang kode genetik satu spesies untuk memberikannya kemampuan spesies lain.

Perlakuan media sudah bisa ditebak, sangat mengejutkan. “Spider-Goats Spin Web of Steel,” demikian salah satu judulnya. “Rompi Antipeluru dari Kambing,” demikian judul lainnya. Para kontraktor pertahanan menelepon. Produsen tekstil mengirimkan pertanyaan. Para pemodal ventura mulai menghitung: jika seekor kambing menghasilkan X liter susu per hari, dan susu tersebut mengandung Y persen protein sutra, maka sekawanan kambing Z dapat menghasilkan...

Hitung-hitungannya tampak luar biasa. Kenyataannya akan menjadi rumit.

Gen Seharusnya Menjadi Bagian yang Sulit

Untuk memahami optimisme di awal tahun 1990-an, Anda perlu memahami di mana posisi bioteknologi saat itu. Proyek Genom Manusia sedang berlangsung. Rekayasa genetika sedang bertransisi dari kemungkinan teoretis menjadi alat praktis. Para peneliti telah berhasil mengekspresikan insulin manusia dalam bakteri, menciptakan sumber terbarukan untuk obat penyelamat jiwa yang sebelumnya membutuhkan pankreas babi.

Paradigmanya sederhana dan menggoda: DNA adalah buku petunjuk. Jika Anda dapat membaca instruksinya, Anda dapat menyalinnya. Jika Anda dapat menyalinnya, Anda dapat menempelkannya ke dalam organisme baru dan menekan “jalankan.”

Sutra laba-laba tampak seperti contoh kasus yang sempurna. Gen sutra memiliki karakter yang baik-sekuens panjang dan berulang yang mengkodekan struktur protein modular yang dijelaskan pada bab sebelumnya. Memasukkan gen-gen tersebut ke dalam bakteri, ragi, atau mamalia adalah teknologi yang sudah mapan. Organisme-organisme tersebut akan menjadi pabrik hidup, menghasilkan protein sutra laba-laba hanya dengan menggunakan metabolisme normal mereka.

Ini adalah janji yang meluncurkan seratus program penelitian dan selusin perusahaan rintisan: kami telah menyelesaikan bagian yang sulit - rekayasa genetika. Yang lainnya hanyalah peningkatan skala industri.

Asumsi tersebut ternyata salah besar.

Kebun Binatang Pabrik Sutra

Kambing-kambing itu hanyalah permulaan. Selama lima belas tahun berikutnya, para peneliti mengerahkan seluruh perangkat bioteknologi untuk memproduksi sutra laba-laba, merekayasa sebuah kebun binatang yang semakin aneh.

Kambing transgenik, yang dikembangkan oleh Nexia Biotechnologies dan kemudian dilanjutkan oleh Randy Lewis di Utah State University, merupakan upaya unggulan. Keuntungannya jelas: hewan besar yang menghasilkan berliter-liter cairan kaya protein setiap hari, menggunakan infrastruktur produk susu yang sudah ada untuk pengumpulan dan pemrosesan. Protein sutra laba-laba akan terlarut di dalam susu - Anda cukup mengekstraknya, memurnikannya, dan memintalnya menjadi serat.

Masalahnya sama jelasnya, meskipun butuh waktu bertahun-tahun untuk memahami sepenuhnya. Pertama, susu adalah sup biologis yang kompleks yang mengandung ratusan protein, lemak, dan gula. Memisahkan satu protein tertentu-bahkan pada konsentrasi beberapa gram per liter-memerlukan kromatografi dan penyaringan yang mahal. Kedua, kambing membutuhkan biaya pemeliharaan yang mahal. Mereka membutuhkan lahan, pakan, perawatan dokter hewan, dan sekitar dua tahun untuk mencapai usia produktif. Ketiga, setiap kambing menghasilkan konsentrasi protein sutra yang sedikit berbeda tergantung pada genetika, pola makan, dan siklus laktasi. Konsistensi-cawan suci industri-hampir tidak mungkin dicapai.

Dan keempat, mungkin yang paling memberatkan: skala ternak yang dibutuhkan. Ratusan kambing. Ribuan, pada akhirnya, untuk menghasilkan jumlah yang relevan secara komersial. Romantisme kambing laba-laba menguap dengan cepat ketika dihadapkan dengan logistik peternakan sapi perah industri.

Bakteri itu lebih praktis tetapi memiliki kutukan tersendiri. E. coli telah menjadi primadona bioteknologi sejak tahun 1970-an-murah, cepat tumbuh, dan mudah dimanipulasi secara genetik. Membuat bakteri menghasilkan protein sutra laba-laba sangatlah mudah. Membuat mereka menghasilkan protein sutra laba-laba yang berguna tidaklah mudah.

Masalahnya adalah badan inklusi. Ketika bakteri mencoba memproduksi protein asing dalam jumlah besar, terutama protein yang besar dan kompleks seperti spidroin, mereka sering kali kewalahan. Protein-protein tersebut salah melipat dan berkumpul menjadi gumpalan padat yang tidak dapat larut di dalam sel. Badan inklusi ini tidak berguna-protein berada dalam bentuk yang salah, tidak dapat larut, dan tidak mungkin berputar.

Para peneliti dapat membuka sel dan mengekstrak badan inklusi menggunakan bahan kimia yang keras dan panas tinggi, kemudian mencoba melipat kembali protein ke dalam struktur yang benar. Terkadang hal ini berhasil. Seringkali tidak. Dan ketika berhasil, prosesnya sangat boros energi dan mahal sehingga meniadakan keuntungan biaya apa pun dari penggunaan bakteri sejak awal.

Hasilnya: bakteri dapat menghasilkan kuantitas, tetapi tidak menghasilkan kualitas.

Ragi menawarkan jalan tengah. Pichia pastoris Ragi dan strain ragi industri lainnya memiliki mesin pelipat protein yang lebih canggih daripada bakteri-mereka adalah eukariota, dengan kompartemen seluler dan protein pendamping yang membantu melipat protein kompleks dengan benar. Mereka dapat ditumbuhkan dalam bioreaktor besar menggunakan teknologi fermentasi yang sudah mapan, proses dasar yang sama dengan yang digunakan untuk membuat bir atau enzim industri.

Beberapa perusahaan bertaruh besar pada ragi. Bolt Threads, Spiber di Jepang, dan yang lainnya mengembangkan galur eksklusif yang mampu menghasilkan spidroin dengan hasil yang diukur dalam gram per liter. Ini adalah kemajuan yang nyata. Protein yang dihasilkan larut, terlipat dengan baik, dan dalam konsentrasi yang cukup tinggi sehingga menarik secara ekonomi.

Namun, “menarik secara ekonomi” ternyata merupakan standar yang sangat rendah. Menumbuhkan ragi membutuhkan bahan baku gula-banyak sekali. Fermentasi industri membutuhkan kontrol suhu, kondisi steril, dan pengadukan yang konstan. Semua ini membutuhkan energi. Setelah fermentasi, Anda masih perlu memisahkan protein dari sel ragi dan media pertumbuhan, lalu memekatkannya ke kepadatan tinggi yang diperlukan untuk pemintalan.

Ketika perusahaan menjalankan penghitungan biaya penuh, angkanya sangat mengejutkan. Perkiraan awal untuk fermentasi bakteri menunjukkan biaya $35.000-50.000 per kilogram protein sutra yang dapat digunakan. Proyeksi akademis yang lebih optimis untuk sistem ragi dalam skala besar menyarankan $300-3.000 per kilogram pada skala percontohan, dengan biaya teoretis $40-100 per kilogram yang mungkin pada skala industri penuh. Ini sebelum memintalnya menjadi serat-hanya bahan protein mentah.

Sebagai konteks, satu kilogram nilon berharga sekitar $2. Kevlar, salah satu serat dengan performa paling mahal, harganya sekitar $80 per kilogram-sebagai serat jadi, siap ditenun.

Ulat sutera transgenik sepertinya bisa menyelesaikan semuanya. Ulat sutera telah menghasilkan sutera-banyak sekali, dengan andal, selama ribuan tahun. Industri serikultur sudah ada, dengan infrastruktur yang mapan untuk menumbuhkan ulat, memanen kepompong, dan mengekstraksi serat. Jika Anda bisa membuat ulat sutra menghasilkan sutra laba-laba dan bukan sutra asli mereka, Anda akan memiliki industri yang instan.

Para peneliti di University of Notre Dame, University of Wyoming, dan lembaga-lembaga di Cina dan Jepang melakukan pendekatan ini. Mereka berhasil menciptakan ulat sutra transgenik yang menghasilkan sutra yang mengandung protein sutra laba-laba, baik yang murni maupun yang dicampur dengan sutra asli ulat tersebut.

Kabar baiknya: itu berhasil. Cacing-cacing itu memintal kepompong yang mengandung protein hasil rekayasa. Kabar buruknya: serat yang dihasilkan tidak konsisten. Terkadang protein sutra laba-laba menyatu dengan baik. Terkadang tidak. Serat-seratnya sering kali lebih lemah daripada sutra ulat sutra murni dan tidak memiliki ketangguhan luar biasa yang membuat sutra laba-laba istimewa.

Dan ada masalah yang lebih mendasar: ulat sutera memintal kepompongnya dalam satu serat yang terus menerus selama beberapa hari, menggunakan proses pemintalan yang sama sekali berbeda dengan laba-laba. Mereka tidak bisa meniru koreografi kimia dan mekanik laba-laba yang tepat. Proteinnya benar, tetapi prosesnya salah.

Tumbuhan dan ganggang mewakili batas keputusasaan. Beberapa peneliti merekayasa tanaman tembakau, alfalfa, dan bahkan kentang untuk menghasilkan protein sutra laba-laba. Yang lain mencoba ganggang, berpikir bahwa organisme fotosintesis mungkin menawarkan platform produksi yang berkelanjutan dan berbiaya rendah.

Upaya ini menghasilkan makalah dan paten, tetapi tidak banyak yang lain. Hasil proteinnya sangat rendah. Tanaman tidak memiliki mesin seluler untuk melipat protein sutra laba-laba dengan benar, dan mengekstraksi protein dari jaringan tanaman sangat sulit dan mahal. Ganggang bernasib lebih buruk lagi.

Apa yang Sebenarnya Berhasil-dan Apa Artinya

Pada pertengahan tahun 2000-an, gelombang pertama perusahaan sutra laba-laba dapat mengklaim pencapaian yang sesungguhnya: mereka telah berhasil memproduksi protein sutra laba-laba pada organisme non-laba pada skala yang dapat diukur dalam kilogram per tahun, bukan miligram per minggu.

Hal ini bukanlah sesuatu yang sia-sia. Lima belas tahun sebelumnya, satu-satunya cara untuk mendapatkan protein sutra laba-laba adalah dengan membedahnya dari laba-laba. Sekarang, Anda bisa menumbuhkannya dalam bioreaktor.

Namun, pencapaian ini datang dengan kesadaran yang brutal: memproduksi protein hanyalah permulaan. Masalah yang sebenarnya - masalah yang akan menghabiskan waktu dua dekade dan ratusan juta dolar lagi - adalah apa yang harus dilakukan dengan protein setelah Anda memilikinya.

Protein ini ada dalam bentuk larutan pekat, kadang-kadang disebut “obat bius sutra”-cairan kental berbahan dasar air yang mengandung protein 20-50% menurut beratnya. Pada laba-laba, obat bius ini berada di kelenjar ampula utama, menunggu untuk diubah menjadi serat dengan urutan operasi kimia dan mekanis yang tepat dari saluran pemintalan.

Di pabrik, obat bius berada di dalam tangki dan wadah, dan para peneliti menatapnya, mencoba mencari cara untuk mengubahnya menjadi serat yang benar-benar berfungsi.

Upaya awal menggunakan metode ekstrusi tekstil konvensional-memaksa larutan protein melalui nosel kecil, terkadang ke dalam bak koagulasi metanol atau aseton, terkadang ke udara. Metode ini berhasil untuk nilon, poliester, dan bahkan Kevlar.

Mereka menghancurkan sutra laba-laba.

Serat yang dihasilkan lemah, rapuh, dan tidak memiliki kemiripan dengan sutra laba-laba alami. Di bawah mikroskop elektron, molekul protein bercampur aduk, tidak selaras, dengan daerah kristal dan amorf yang terbentuk secara acak, bukan dalam struktur terorganisir yang memberikan sifat-sifat sutra laba-laba.

Ekstrusi industri terlalu cepat, terlalu bergejolak, terlalu keras. Protein tidak memiliki waktu untuk menyelaraskan diri sebelum mengeras. Kristal lembaran beta yang penting tidak terbentuk dengan benar. Serat tampak seperti sutra laba-laba di bawah mikroskop, tetapi tampil seperti nilon biasa-biasa saja dalam pengujian.

Beberapa perusahaan mengumumkan bahwa mereka telah memproduksi “serat sutra laba-laba”. Secara teknis, hal ini memang benar-serat yang terbuat dari protein sutra laba-laba. Tapi itu bukan sutra laba-laba, tidak dalam arti yang sebenarnya. Sifat mekanisnya tidak ada.

Rasanya seperti berhasil mensintesis semua bahan biola Stradivarius, tetapi merakitnya menjadi ukulele. Ya, keduanya adalah alat musik petik yang terbuat dari kayu. Tidak, keduanya tidak menghasilkan suara yang sama.

Pivot, Keheningan, dan Penutupan

Pada tahun 2009, gelombang pertama berakhir. Nexia Biotechnologies, perusahaan sutra laba-laba yang paling terkenal, diam-diam runtuh. Aset-asetnya, termasuk kawanan kambing laba-laba, dijual ke sebuah perusahaan Kanada. Kambing-kambing itu akhirnya disumbangkan ke Universitas Negeri Utah, tempat Randy Lewis melanjutkan penelitiannya-tidak lagi sebagai usaha komersial, tetapi sebagai keingintahuan akademis.

Kraig Biocraft Laboratories, yang berfokus pada ulat sutera transgenik, telah berulang kali melakukan peralihan - dari aplikasi militer ke perangkat medis hingga tekstil performa. Harga saham mereka, yang pernah mengendarai gelombang hype bioteknologi, menetap di wilayah saham sen.

Perusahaan lain membuat jalan keluar yang lebih lunak. Mereka berhenti berbicara tentang rompi antipeluru dan mulai berbicara tentang pembalut luka. Mereka berhenti menjanjikan gangguan pada industri tekstil dan mulai menargetkan aplikasi medis khusus di mana biaya tinggi dapat dijustifikasi dengan margin tinggi dan volume rendah.

Beberapa hanya kehabisan uang dan tutup tanpa siaran pers atau penjelasan. Situs web mereka menjadi gelap. Paten mereka kadaluarsa atau dijual. Para peneliti pindah ke proyek lain.

Apa yang mencolok dalam retrospeksi adalah betapa sedikitnya drama yang menyertai kegagalan-kegagalan ini. Tidak ada kebangkrutan yang spektakuler, tidak ada ekspos jurnalisme investigasi, tidak ada perhitungan publik. Perusahaan-perusahaan itu hanya... memudar. Siaran pers menjadi lebih jarang. Jangka waktu diam-diam diperpanjang. “Produksi komersial pada tahun 2005” menjadi “2008” menjadi “ketika kondisi memungkinkan.”

Infrastruktur tetap ada. Pengetahuan tetap ada. Teknologi produksi protein terus meningkat secara bertahap. Strain ragi menjadi lebih baik. Metode pemurnian menjadi lebih efisien. Biaya turun-tidak cukup cepat, dan tidak cukup jauh.

Namun, janji awal-visi transformatif sutra laba-laba sebagai bahan revolusioner yang akan menggantikan Kevlar, menciptakan kembali pelindung tubuh, dan meluncurkan industri bahan berbasis bio baru-telah mati dengan tenang, tanpa diratapi kecuali oleh para peneliti dan investor yang telah mempertaruhkan karier dan modal mereka.

Pelajaran yang Mereka Pelajari Terlambat

Gelombang pertama gagal karena beroperasi berdasarkan kesalahpahaman mendasar tentang di mana letak kesulitannya.

Rekayasa genetika tidak pernah menjadi hambatan. Ya, secara teknis memang menantang, tetapi dapat dipecahkan dengan alat yang ada. Memasukkan gen ke dalam organisme, mengoptimalkan ekspresi, meningkatkan fermentasi-ini adalah wilayah yang sudah dikenal, subjek buku teks dan praktik komersial.

Hambatannya adalah transformasi dari cairan menjadi padat. Pemintalan. Proses yang terjadi dalam tiga detik di dalam perut laba-laba dan kami masih, dua puluh tahun setelah memproduksi protein sutra laba-laba pertama kami, tidak dapat meniru pada skala industri sambil mempertahankan sifat luar biasa dari bahan tersebut.

Gelombang pertama mengasumsikan bahwa pencapaian laba-laba adalah protein - mahakarya evolusi adalah struktur molekul. Oleh karena itu, setelah Anda memiliki protein, bagian yang sulit telah selesai.

Mereka salah. Mahakarya evolusi bukanlah proteinnya. Itu adalah pemintal-mesin biologis yang mengambil protein dan mengubahnya menjadi serat dengan efisiensi yang nyaris sempurna dan tanpa cacat, tanpa menggunakan apa pun selain kontrol aliran mikrofluida dan kimia yang diatur dengan cermat.

Kami menyalin resepnya. Kami gagal meniru dapurnya. Dan ternyata, dalam pembuatan sutra laba-laba, dapur adalah segalanya.

Kesadaran tersebut akan membentuk gelombang kedua dari upaya tersebut. Namun pertama-tama, industri ini harus menghadapi pertanyaan yang lebih mendasar lagi, pertanyaan yang seharusnya ditanyakan sejak awal: jika membuat sutra laba-laba sangat sulit, mengapa tidak membudidayakan laba-laba saja?

Jawaban dari pertanyaan tersebut menjelaskan mengapa setiap pendekatan, tidak peduli seberapa pintarnya, pada akhirnya akan terbentur pada tembok yang sama.

Mengapa Anda Tidak Bisa Menernakkan Laba-laba

Pertanyaan ini muncul di setiap presentasi, setiap pertemuan pitching, setiap percakapan santai tentang sutra laba-laba. Biasanya sekitar lima menit, seseorang akan mengangkat tangan.

“Tunggu-jika ulat sutera bisa diternakkan untuk membuat sutera biasa, mengapa kita tidak bisa menernakkan laba-laba?”

Ini adalah pertanyaan yang sangat masuk akal. Ini juga merupakan pertanyaan yang menjelaskan mengapa seluruh industri sutra laba-laba ada dalam bentuknya yang tersiksa saat ini. Karena jika Anda bisa membudidayakan laba-laba, tidak ada rekayasa genetika, tidak ada bioteknologi, tidak ada program penelitian bernilai ratusan juta dolar yang diperlukan. Anda hanya perlu membangun peternakan laba-laba.

Orang-orang telah mencoba. Selama berabad-abad, sebenarnya. Tidak pernah berhasil. Dan alasan mengapa hal itu tidak berhasil mengungkapkan sesuatu yang mendasar tentang kendala yang membentuk setiap upaya berikutnya untuk memproduksi sutra laba-laba secara komersial.

Eksperimen yang Terus Gagal

Pada tahun 1709, seorang naturalis Prancis bernama François Xavier Bon de Saint Hilaire berusaha menciptakan industri sutra laba-laba pertama di dunia. Dia mengumpulkan laba-laba kebun, menempatkannya dalam bingkai, dan mencoba memanen sutranya untuk membuat tekstil-sarung tangan dan kaus kaki, khususnya, yang dia presentasikan ke Akademi Ilmu Pengetahuan Prancis.

Eksperimen ini secara teknis berhasil. Sarung tangan itu ada. Sarung tangan itu terbuat dari sutra laba-laba. Akademi sangat terkesan.

Percobaan itu merupakan bencana besar secara ekonomi. Laba-laba bertempur. Mereka membunuh satu sama lain. Mereka menolak untuk memproduksi sutra secara konsisten. Saint Hilaire menghitung bahwa untuk menghasilkan sutra yang cukup untuk satu pakaian dibutuhkan ratusan laba-laba dan berjam-jam kerja yang melelahkan. Biayanya tidak masuk akal. Proyek itu mati.

Tiga ratus tahun kemudian, para peneliti di Museum Sejarah Alam Amerika mencoba lagi. Antara tahun 2009 dan 2012, sebuah tim di Madagaskar bekerja dengan lebih dari satu juta laba-laba bola emas (Nephila) untuk menghasilkan satu tekstil berukuran 11 kaki kali 4 kaki - sebuah jubah emas yang dipajang di Victoria and Albert Museum.

Tekstilnya sangat menakjubkan. Prosesnya sungguh merupakan mimpi buruk.

Para pekerja mengumpulkan laba-laba setiap pagi dari alam liar. Setiap laba-laba diikat ke sebuah bingkai kecil, dan sutra diekstraksi secara manual dari pemintalnya-sebuah proses yang disebut “silking,” yang terdengar jauh lebih lembut daripada kenyataannya. Setiap laba-laba menghasilkan sekitar 25 meter sutra yang dapat digunakan sebelum dilepaskan kembali ke alam liar, dan harus ditangkap kembali keesokan harinya.

Perhitungannya sangat brutal: 23.000 laba-laba untuk menghasilkan satu ons sutra. Empat tahun bekerja untuk membuat satu tekstil. Jubah ini membutuhkan lebih dari satu juta laba-laba untuk menyelesaikannya.

Laba-laba ini digantung di museum sebagai rasa ingin tahu, bukti kegigihan manusia dan produktivitas laba-laba. Laba-laba ini juga digantung sebagai bukti bahwa peternakan laba-laba tidak mungkin dilakukan secara komersial.

Biologi yang Mendobrak Model

Alasannya tidak misterius. Hal ini tertulis dalam biologi laba-laba di setiap tingkatan, dimulai dari yang paling jelas: laba-laba adalah pemangsa, dan pemangsa tidak bertani dengan baik.

Ulat sutera adalah herbivora-khususnya, mereka memakan daun murbei. Anda dapat memasukkan ribuan ulat sutera ke dalam nampan yang ditumpuk di gudang, memberi mereka makan daun-daun yang murah, dan mereka akan hidup berdampingan dengan damai sampai mereka memintal kepompongnya. Ulat sutra telah didomestikasi selama kurang lebih 5.000 tahun. Mereka sekarang sangat terspesialisasi untuk produksi sutra sehingga Bombyx mori, ulat sutera domestik, hampir tidak dapat bertahan hidup di alam liar. Ini adalah sapi perah dari invertebrata: jinak, produktif, dan benar-benar dioptimalkan untuk penggunaan manusia.

Laba-laba tidak seperti ini.

Kebanyakan laba-laba yang diminati oleh para penenun sutra seperti Nephila dan Argiope-adalah pemburu soliter. Mereka bersifat teritorial. Seluruh strategi evolusi mereka dibangun untuk mempertahankan sepotong real estat berbentuk jaring dan memakan apa pun yang mendekatinya.

Letakkan dua laba-laba di dekat Anda dan mereka tidak akan bekerja sama. Mereka berkelahi. Laba-laba yang lebih besar biasanya memakan laba-laba yang lebih kecil.

Ini bukan agresi sesekali. Ini bukan masalah yang bisa Anda selesaikan dengan desain kandang yang lebih baik atau manajemen yang cermat. Ini adalah perilaku mendasar, yang berevolusi selama jutaan tahun. Laba-laba betina terkadang memakan laba-laba jantan bahkan saat kawin-kanibalisme seksual cukup umum terjadi pada beberapa spesies dan merupakan hasil yang wajar. Gagasan bahwa Anda dapat meyakinkan ratusan laba-laba untuk hidup damai di dalam kandang adalah hal yang mustahil secara biologis.

Secara teoritis, Anda bisa memelihara setiap laba-laba satu per satu. Tapi sekarang Anda tidak sedang bertani-Anda sedang menjalankan kebun binatang. Biaya tenaga kerja dan infrastruktur meningkat secara linier dengan jumlah laba-laba. Tidak ada skala ekonomi, tidak ada efisiensi yang didapat dari ukuran.

Dan tidak seperti ulat sutera, yang menghasilkan kepompong besar sekali dan kemudian mati, sehingga memungkinkan pemanenan dalam jumlah besar, laba-laba menghasilkan sutera secara terus menerus dalam jumlah kecil. Laba-laba memintal jaring, yang dapat Anda kumpulkan, tetapi sutra jaring bersifat lengket dan bercampur dengan berbagai jenis sutra. Sutra sutra yang Anda inginkan adalah komponen minoritas.

Satu-satunya metode praktis adalah ekstraksi manual-proses “menenun” yang digunakan di Madagaskar, di mana manusia secara fisik menahan setiap laba-laba dan menarik sutra dari sarangnya. Proses ini lambat, menguras tenaga, dan membuat laba-laba stres, sehingga mengurangi produksi sutra di masa depan.

Matematika yang Tidak Berhasil

Mari kita hitung berapa biaya yang dibutuhkan untuk budidaya laba-laba industri.

Produktif Nephila Seekor laba-laba dapat menghasilkan 50-100 meter sutra dragline per hari jika Anda memanennya secara manual dan menangani laba-laba dengan hati-hati. Kedengarannya menjanjikan sampai Anda menghitung massanya: sutra dragline berdiameter sekitar 5 mikron. Seratus meter sutera ini memiliki berat sekitar 10 miligram.

Sepuluh miligram. Per laba-laba. Per hari.

Serat tekstil industri dijual per ton. Satu ton adalah satu juta gram. Untuk menghasilkan satu ton sutra laba-laba per tahun melalui peternakan, Anda membutuhkan, setidaknya, 270.000 laba-laba yang menghasilkan sutra setiap hari, dengan asumsi efisiensi pengumpulan yang sempurna dan tidak ada kerugian.

Dalam praktiknya, dengan memperhitungkan kematian, stres, variasi musim, dan ketidakmungkinan memanen setiap hari, Anda mungkin membutuhkan satu juta laba-laba yang berproduksi aktif pada waktu tertentu.

Sekarang tambahkan infrastruktur: kandang individu (laba-laba tidak bisa berbagi), pemberian makan (setiap laba-laba membutuhkan serangga hidup), pengelolaan limbah, kontrol iklim, dan biaya tenaga kerja untuk memanen sutra secara manual dari sejuta laba-laba setiap hari.

Bandingkan dengan serikultur. Peternakan ulat sutera modern menghasilkan beberapa ton sutera dari satu gudang dengan menggunakan tenaga kerja musiman dan panen massal. Ulat sutera tidak membutuhkan kandang individu, tidak saling mengkanibal, dan menghasilkan sutera secara otomatis dalam kepompong yang nyaman dan dapat dipanen.

Atau bandingkan dengan produksi serat sintetis. Satu fasilitas produksi nilon menghasilkan ribuan ton per tahun dengan menggunakan proses yang sepenuhnya otomatis. Tidak ada pemberian makan. Tidak ada pengelolaan limbah. Tidak ada perawatan hewan perorangan.

Peternakan laba-laba tidak berskala. Itu tidak bisa berkembang. Biologi mencegahnya.

Keputusan yang Membentuk Segalanya

Jalan buntu biologis ini adalah alasan mengapa seluruh industri sutra laba-laba mengambil jalan seperti ini. Karena Anda tidak dapat membudidayakan laba-laba, Anda membutuhkan sumber protein sutra alternatif. Itu berarti bioteknologi: merekayasa organisme lain untuk menghasilkan protein untuk Anda.

Namun, menerima kebutuhan ini berarti menerima masalah kedua yang lebih sulit: jika Anda tidak menggunakan laba-laba, Anda juga tidak menggunakan pemintalnya. Anda tidak hanya perlu memproduksi protein-Anda harus menciptakan proses yang sama sekali baru untuk mengubah protein tersebut menjadi serat.

Produksi sutra laba-laba merupakan sistem biologis yang terintegrasi. Komposisi protein, lingkungan kimiawi kelenjar, gaya geser mekanis dalam saluran pemintalan, waktu yang tepat untuk perubahan pH dan pertukaran ion-semua ini berevolusi bersama sebagai satu kesatuan yang serasi. Anda tidak dapat mengekstrak satu bagian dan mengharapkannya bekerja secara independen.

Ketika para peneliti memilih untuk meninggalkan peternakan laba-laba dan beralih ke rekayasa genetika, secara implisit mereka memilih untuk menyelesaikan dua masalah, bukan hanya satu masalah:

1. Menghasilkan protein dalam organisme bukan laba-laba

2. Membuat pemintal buatan yang dapat meniru proses laba-laba

Gelombang pertama perusahaan mengira bahwa masalah #1 adalah masalah yang sulit. Mereka salah. Masalah #1 ternyata dapat dipecahkan dengan bioteknologi yang ada, meskipun dengan biaya yang lebih tinggi dari yang diharapkan.

Masalah #2-pemintalan-ternyata sangat sulit, tidak terduga, dan terus-menerus sulit. Begitu sulitnya sehingga tetap tidak terpecahkan pada skala industri dua puluh tahun kemudian.

Mengapa Ini Penting di Balik Sutra Laba-laba

Ketidakmungkinan budidaya laba-laba bukan hanya keingintahuan biologis. Ini adalah kendala awal yang memaksa setiap keputusan berikutnya di lapangan. Itulah mengapa sutra laba-laba menjadi kisah bioteknologi dan bukan kisah pertanian. Itulah mengapa ratusan juta dolar dihabiskan untuk tangki fermentasi dan rekayasa genetika, bukan untuk peternakan arakhnida.

Dan itulah mengapa perbandingan dengan ulat sutera-perbandingan yang membuat peternakan sutera laba-laba terdengar begitu masuk akal-pada dasarnya menyesatkan. Ulat sutera tidak hanya lebih mudah dibudidayakan daripada laba-laba. Mereka adalah kategori organisme yang sama sekali berbeda: jinak, kooperatif, dioptimalkan selama ribuan tahun untuk penggunaan manusia.

Laba-laba itu liar. Mereka adalah predator. Mereka adalah produk evolusi yang tidak pernah diantisipasi oleh pertanian manusia. Dan mereka menolak, secara mutlak dan sepenuhnya, untuk bekerja sama dengan kebutuhan ekonomi manusia.

Penolakan ini mengubah segalanya. Jalur rekayasa genetika tidak dipilih karena lebih baik-ini dipilih karena itu adalah satu-satunya pilihan. Dan begitu pilihan itu diambil, industri ini mendapati dirinya mencoba mereplikasi bukan hanya sebuah materi, tetapi juga seluruh proses pembuatan biologis yang telah disempurnakan selama 400 juta tahun oleh evolusi.

Kami tidak bisa menernakkan hewan, jadi kami mencoba menernakkan protein. Kami berhasil. Kemudian kami menemukan bahwa memiliki protein hanyalah setengah dari masalahnya-mungkin kurang dari setengahnya.

Laba-laba berada di dalam jaringnya, mesin biologis yang tidak bisa kita tiru dan tidak bisa kita budidayakan, menghasilkan bahan yang sangat kita inginkan tetapi tidak bisa dipanen secara ekonomis. Ketidakmungkinan itu meluncurkan sebuah industri. Dalam banyak hal, hal itu juga yang menyebabkan industri tersebut telah menghabiskan waktu selama tiga puluh tahun untuk tidak memenuhi janjinya.

Anda tidak bisa membudidayakan laba-laba. Jadi, kami mencoba untuk menjadi mereka. Dan ternyata, itu lebih sulit.

Hambatan Teknis Inti: Pemintalan, Bukan Protein

Ada momen di setiap laboratorium penelitian sutra laba-laba, biasanya pada larut malam setelah berbulan-bulan bekerja, ketika seorang peneliti memegang botol berisi larutan protein sutra pekat dan menyadari bahwa mereka sedang menatap bahan rekayasa genetika senilai seperempat juta dolar yang sama sekali tidak mereka pahami cara menggunakannya.

Proteinnya sempurna. Fermentasi berhasil. Pemurnian berhasil. Struktur molekulnya benar-lembar beta, daerah amorf, semuanya sejajar dalam urutan yang dirancang oleh alam. Anda mendapatkan mungkin 100 mililiter larutan yang mengandung protein sutra 30-40% menurut beratnya. Lebih banyak protein sutra laba-laba daripada yang dihasilkan oleh seratus laba-laba dalam setahun.

Dan mungkin juga sup yang mahal.

Karena langkah selanjutnya-mengubah cairan tersebut menjadi serat yang benar-benar memiliki sifat-sifat yang membuat sutra laba-laba menjadi istimewa-tetap menjadi masalah yang belum terpecahkan, setelah tiga dekade penelitian dan ratusan juta dana, yang telah membunuh hampir semua usaha sutra laba-laba komersial.

Di sinilah ceritanya menjadi teknis. Ini juga merupakan bagian yang penting. Karena memahami mengapa pemintalan sangat sulit menjelaskan mengapa seluruh industri telah terjebak dalam keadaan netral selama tiga puluh tahun meskipun ada kemajuan yang terus menerus di setiap dimensi lainnya.

Mengapa Protein Tidak Pernah Menjadi Hambatan

Pada tahun 2010, beberapa kelompok penelitian dan perusahaan dapat memproduksi protein sutra laba-laba dengan skala yang diukur dalam kilogram. Bolt Threads memiliki strain ragi yang eksklusif. Spiber di Jepang memiliki teknologi fermentasi sendiri. Laboratorium akademis di Utah State, Cambridge, dan di tempat lain telah mendemonstrasikan produksi skala gram.

Masalah protein tidak terpecahkan dalam arti murah-biaya berkisar antara $300 hingga lebih dari $3.000 per kilogram pada skala percontohan, dengan proyeksi teoretis $40-100 per kilogram pada skala industri penuh. Namun, masalah ini terpecahkan karena teknologinya sudah ada, dapat direproduksi, dan terus meningkat. Setiap tahun membawa hasil yang lebih tinggi, pelipatan yang lebih baik, pemurnian yang lebih efisien.

Jika produksi protein adalah satu-satunya tantangan, sutra laba-laba akan menjadi bahan khusus saat ini-mahal tetapi tersedia, seperti polimer khusus tertentu atau bahan farmasi.

Tetapi memiliki protein hanya berarti Anda berada di garis start. Perlombaan dimulai ketika Anda mencoba membuat serat.

Inilah protein sutra cair yang sebenarnya: larutan air yang sangat pekat dari protein yang sangat besar dan berulang-ulang yang tersuspensi dalam keseimbangan kimiawi yang rumit. Protein dilipat tetapi belum tersusun menjadi struktur serat akhir. Protein ini dapat larut, yang berarti protein ini dikelilingi oleh molekul air dan mempertahankan pemisahan yang cukup sehingga tidak menyatu dan keluar dari larutan.

Di dalam kelenjar ampula laba-laba, “obat bius sutra” ini berada pada konsentrasi protein 30-50%-ketebalan yang bisa Anda dapatkan dengan tetap mempertahankan fluiditasnya. Protein ini disimpan dalam lingkungan kimiawi yang dikontrol dengan cermat: pH tertentu, konsentrasi ion tertentu, suhu tertentu. Ubah salah satu dari parameter ini dan protein mulai mengumpul sebelum waktunya. Salah-salah, solusi mahal Anda berubah menjadi keju cottage yang mahal.

Laba-laba menjaga obat bius tetap stabil sampai dia siap untuk memintal. Kemudian, dalam waktu kurang lebih tiga detik, ia mengubah cairan itu menjadi serat padat dengan keselarasan molekul yang nyaris sempurna dan sifat mekanik yang luar biasa.

Kami telah mencoba mencari cara untuk melakukan hal tersebut sejak tahun 1990-an. Kami masih terus berusaha.

Koreografi Molekuler yang Tidak Dapat Kami Tiru

Proses pemintalan laba-laba adalah mahakarya teknik kimia dan mekanik yang dikompresi ke dalam sebuah saluran dengan panjang sekitar 5 milimeter dan lebar setengah milimeter. Apa yang terjadi di dalam saluran itu secara bersamaan sangat elegan dan sangat kompleks.

Tahap pertama: konsentrasi. Obat bius sutera memasuki saluran pemintalan dengan konsentrasi yang tinggi tetapi tetap dengan air yang cukup untuk menjaganya tetap cair. Saat mengalir melalui bagian awal saluran, air secara aktif diserap kembali melalui dinding saluran. Konsentrasi protein meningkat lebih lanjut, memaksa protein untuk saling berdekatan.

Tahap kedua: pengasaman. pH turun tajam, dari sekitar 7,6 di dalam kelenjar menjadi sekitar 6,3 di dalam saluran. Hal ini tidak terjadi secara acak. Protein sutra memiliki asam amino spesifik yang merespons perubahan pH. Pada pH yang lebih tinggi, mereka saling tolak-menolak secara elektrostatis. Saat pH turun, daya tolak itu melemah. Protein-protein tersebut mulai berasosiasi.

Transisi pH ini sangat tepat. Terlalu cepat atau terlalu lambat dan perakitan menjadi salah. Laba-laba mengendalikannya dengan sel-sel khusus yang melapisi saluran yang secara aktif memompa proton, menciptakan gradien pH yang halus.

Tahap ketiga: pertukaran ion. Bersamaan dengan pengasaman, lingkungan ionik pun berubah. Ion natrium dan klorida-yang menstabilkan kondisi cairan-dihilangkan. Ion kalium dan fosfat dimasukkan. Pertukaran ion ini semakin mengacaukan keadaan terlarut dan mendorong agregasi protein.

Sekali lagi, hal ini dikontrol dengan ketat. Laba-laba tidak hanya membuang ion secara acak. Ada pola spasial, urutan perubahan kimiawi yang diatur dengan cermat yang memandu perakitan protein.

Tahap empat: geseran mekanis. Di sinilah fisika mengambil alih dari kimia. Saluran pemintalan meruncing- semakin menyempit di sepanjang saluran. Saat larutan protein yang mengental ditarik melalui saluran yang menyempit ini, larutan tersebut mengalami peningkatan gaya geser.

Geseran adalah apa yang terjadi ketika fluida mengalir melewati suatu permukaan atau melalui suatu pembatas. Bayangkan madu yang mengalir dari sendok-madu yang berada tepat di permukaan sendok bergerak lebih lambat daripada madu yang berada lebih jauh, menciptakan lapisan yang bergeser satu sama lain. Itulah geseran.

Di dalam saluran laba-laba, gaya geser bekerja pada protein sutra, secara fisik meregangkan dan menyelaraskannya ke arah aliran. Ini sangat penting. Daerah lembaran beta kristal harus terbentuk sejajar dengan sumbu serat. Daerah amorf harus terdistribusi dengan baik di antara keduanya. Penyelarasan acak memberi Anda serat yang lemah. Gaya geser dari saluran meruncing menciptakan keselarasan arah.

Namun, inilah detail yang krusial: geseran harus cukup kuat untuk menyelaraskan protein, tetapi cukup lembut untuk tidak mengganggu lipatannya. Geseran yang terlalu sedikit akan menghasilkan keselarasan yang buruk. Terlalu banyak dan Anda mengubah sifat protein, menghancurkan strukturnya.

Laba-laba mencapai hal ini melalui aliran laminar-aliran yang halus dan berlapis-lapis tanpa turbulensi. Protein meluncur melewati satu sama lain dalam lembaran-lembaran yang teratur, secara bertahap menyelaraskan, secara bertahap berkumpul ke dalam struktur serat akhir saat pemicu kimiawi (pH, ion) memberi tahu mereka kapan harus mengunci pada tempatnya.

Tahap lima: pemadatan. Pada saat obat bius mencapai ujung saluran pemintalan, obat bius tidak lagi berbentuk cairan. Protein telah tersusun menjadi ikatan yang sejajar. Kandungan air telah turun menjadi sekitar 10%. Serat menjadi padat tetapi masih agak elastis, menyelesaikan pengerasan terakhirnya selama beberapa detik berikutnya saat ditarik dari pemintal.

Seluruh proses-dari cairan yang memasuki saluran hingga serat padat yang muncul-terjadi dalam rentang waktu beberapa detik.

Mengapa Ekstrusi Industri Menghancurkan Segalanya

Sekarang, inilah yang terjadi ketika Anda mencoba mereplikasi proses ini menggunakan peralatan produksi serat industri.

Pemintalan serat konvensional hadir dalam dua jenis utama: pemintalan leleh (digunakan untuk nilon, poliester) dan pemintalan basah (digunakan untuk rayon, beberapa aramid). Keduanya melibatkan pemaksaan polimer melalui lubang kecil-pemintal-untuk membentuk serat yang berkesinambungan.

Pemintalan leleh menggunakan panas. Anda melelehkan polimer dan mengeluarkannya melalui lubang-lubang kecil. Saat keluar dan mendingin, polimer akan mengeras. Ini sangat cocok untuk polimer sintetis sederhana yang stabil secara termal.

Tidak ada gunanya protein sutra laba-laba. Protein mengalami perubahan sifat pada suhu tinggi. Protein sutra laba-laba yang terhidrasi mulai mengalami denaturasi sekitar 60-80°C, meskipun serat kering dapat mentoleransi suhu di atas 200°C. Pemintalan leleh biasanya beroperasi pada suhu 200-300°C. Anda akan mendapatkan arang rasa protein.

Pemintalan basah menghindari panas dengan menggunakan pelarut kimia. Anda melarutkan polimer dalam pelarut, mengeluarkannya ke dalam bak koagulasi (biasanya bahan kimia yang berbeda yang menyebabkan polimer mengendap), dan menarik serat yang dihasilkan.

Hal ini lebih mendekati apa yang mungkin berhasil untuk sutra laba-laba. Beberapa kelompok peneliti telah mencoba berbagai variasi: mengekstrusi obat bius sutra ke dalam metanol, atau aseton, atau berbagai larutan garam yang menyebabkan protein berkumpul dan mengeras.

Dan itu berhasil-semacam itu. Anda mendapatkan serat. Ini terbuat dari protein sutra laba-laba. Di bawah mikroskop, terlihat seperti serat.

Tetapi sifat mekanisnya sangat buruk. Kekuatan tariknya mungkin 30% dari sutra laba-laba alami. Ketangguhannya-sifat penting yang membuat sutra laba-laba istimewa-sering kali lebih buruk daripada nilon. Seratnya rapuh. Mudah patah.

Apa yang salah?

Masalah pertama: penyelarasan. Ekstrusi industri berlangsung cepat. Anda membutuhkan hasil yang tinggi agar dapat beroperasi secara ekonomis-meter serat per detik, bukan milimeter. Pada kecepatan ini, aliran melalui pemintal menjadi turbulen, bukan laminar. Alih-alih lapisan halus yang meluncur melewati satu sama lain, Anda mendapatkan pencampuran yang kacau dan orientasi acak.

Protein sutra jatuh secara acak. Mereka tidak sejajar. Ketika mereka mengeras, mereka bercampur aduk. Daerah kristal mengarah ke arah yang acak. Struktur penahan beban yang bergantung pada keselarasan paralel tidak terbentuk dengan baik.

Hasilnya: serat lemah yang gagal pada sebagian kecil dari tekanan yang dapat ditangani oleh sutra alami.

Masalah kedua: kinetika. Transformasi laba-laba selama tiga detik dilakukan secara hati-hati. pH berubah secara bertahap. Ion-ion bertukar dalam skala waktu tertentu. Protein memiliki waktu untuk melipat, berasosiasi, dan menyelaraskan diri sebelum terkunci ke dalam struktur akhir.

Ekstrusi industri terjadi dalam milidetik. Larutan protein menyentuh bak koagulasi dan segera keluar dari larutan. Protein berkumpul di mana pun mereka berada, bagaimanapun orientasinya. Tidak ada waktu untuk perakitan yang cermat.

Anda mendapatkan pengendapan yang cepat, bukan perakitan mandiri yang terkendali. Ini adalah perbedaan antara menumpuk batu bata dengan hati-hati untuk membangun dinding dengan membuang satu truk penuh batu bata ke dalam tumpukan.

Masalah ketiga: geseran. Inilah pembunuhnya. Pada laju aliran industri, gaya geser pada pemintal sangat besar-orde besarnya lebih tinggi daripada yang diterapkan laba-laba. Gaya-gaya ini dapat memutus ikatan kimia, mengganggu pelipatan protein, dan menciptakan aliran yang kacau sehingga penyelarasan menjadi tidak mungkin.

Tetapi Anda tidak bisa hanya memperlambat. Aliran yang lambat berarti hasil yang rendah berarti produksi yang tidak ekonomis. Laba-laba dapat memakan waktu tiga detik karena dia hanya membutuhkan beberapa meter sutra. Sebuah pabrik membutuhkan kilometer per jam untuk bersaing dengan produksi nilon.

Fisika tidak berskala. Geseran lembut dan terkendali yang bekerja dalam saluran 0,5 milimeter selama tiga detik tidak dapat ditiru dalam sistem yang lebih besar yang beroperasi pada kecepatan yang lebih tinggi. Dinamika fluida berubah secara mendasar. Turbulensi menjadi tidak dapat dihindari.

Jebakan Ekonomi dari Pemintalan Lambat

Beberapa kelompok peneliti telah mencapai hasil yang mengesankan dengan meniru laba-laba secara lebih dekat: ekstrusi lambat melalui saluran mikrofluida, gradien pH yang cermat, pertukaran ion yang terkontrol, gaya tarik yang lembut.

Pada tahun 2017, sebuah tim di Swedish University of Agricultural Sciences mendemonstrasikan pemintalan skala laboratorium yang menghasilkan serat yang mendekati 70% dari sifat mekanis sutra alami. Ini merupakan sebuah terobosan yang nyata.

Mereka memproduksinya dengan kecepatan sekitar satu meter per jam.

Produksi tekstil industri beroperasi pada kecepatan 1.000 hingga 10.000 meter per jam. Lini produksi Kevlar berjalan dengan kecepatan sekitar 100 meter per menit. Bahkan produksi serat khusus berkinerja tinggi mengasumsikan kecepatan yang diukur dalam meter per menit, bukan meter per jam.

Ini adalah jebakan ekonomi: semakin dekat Anda meniru proses laba-laba-semakin baik sifat mekanisnya-makin lambat dan mahal produksi Anda. Semakin baik serat Anda, semakin tidak layak secara komersial.

Anda dapat memiliki serat berkualitas laba-laba dengan kecepatan laba-laba dan skala laba-laba, menghasilkan gram per hari dengan biaya ribuan dolar per kilogram. Atau Anda dapat memiliki hasil industri yang menghasilkan berton-ton per hari-tetapi serat tersebut kehilangan sifat-sifat yang membuat sutra laba-laba layak untuk dikejar sejak awal.

Belum ada jalan tengah yang ditemukan. Perusahaan-perusahaan yang mengumumkan produksi “serat sutra laba-laba” biasanya memilih opsi kecepatan industri, menerima sifat mekanis yang berkurang secara dramatis sebagai imbalan atas tingkat produksi yang dapat dicapai. Serat mereka adalah “sutra laba-laba” dalam komposisi molekuler tetapi tidak dalam performa.

Mengapa Masalah Ini Telah Menelan Ratusan Juta

Memahami hambatan pemintalan menjelaskan mengapa industri sutra laba-laba berkembang seperti sekarang ini-dan mengapa industri ini gagal memenuhi janji-janjinya.

Produksi protein terpecahkan, kurang lebih, pada pertengahan tahun 2010. Teknologi fermentasi berhasil. Hasil panen terus meningkat. Biaya terus turun. Jika protein saja sudah cukup, kita akan memiliki industri sutra laba-laba.

Tetapi protein saja tidak cukup. Protein hanyalah bahan mentah mahal yang berada di dalam tangki, menunggu proses produksi yang tidak ada dalam skala industri.

Proses pemintalan memerlukan pengendalian kimiawi (pH, ion), dinamika fluida (aliran laminer, gaya geser spesifik), dan kinetika (waktu perakitan) secara simultan, semuanya dalam proses kontinu yang berjalan cukup cepat agar ekonomis. Alam melakukan hal ini dalam saluran lima milimeter yang dioptimalkan oleh evolusi selama 400 juta tahun. Kami mencoba melakukannya dalam peralatan industri yang dioptimalkan untuk polimer yang sama sekali berbeda dengan mekanisme perakitan yang sama sekali berbeda.

Setiap upaya untuk meningkatkan proses akan merusak sesuatu. Membuat saluran lebih besar? Aliran menjadi bergejolak. Mempercepat proses? Penyelarasan gagal. Gunakan koagulasi kimia yang lebih kuat untuk mempercepat pemadatan? Struktur protein akan terganggu.

Solusi laba-laba sangat indah, tetapi diadaptasi secara istimewa untuk menjadi laba-laba-untuk beroperasi pada skala laba-laba, kecepatan laba-laba, mekanisme kontrol laba-laba. Ia tidak ingin diindustrialisasi. Fisika menolaknya. Ekonomi menghukumnya.

Inilah sebabnya, setelah tiga puluh tahun, Anda masih tidak bisa membeli rompi antipeluru sutra laba-laba. Bukan karena kami tidak tahu apa itu sutra laba-laba. Bukan karena kita tidak bisa membuat proteinnya. Tapi karena transformasi dari cair menjadi padat-tiga detik koreografi molekuler yang terjadi di dalam perut laba-laba-tetap berada di luar kemampuan kita untuk meniru secara ekonomis dalam skala besar.

Kami memecahkan resepnya. Kami masih mencoba membangun dapur. Dan dapur, ternyata, adalah bagian yang sulit.

Masalah Peningkatan Skala Biomaterial

Pada tahun 2008, sebuah perusahaan rintisan sutra laba-laba bernama Nexia Biotechnologies memiliki masalah yang, di atas kertas, terdengar seperti sebuah kesuksesan. Mereka dapat memproduksi protein sutra laba-laba dalam susu kambing. Proses fermentasi mereka telah disempurnakan. Protokol pemurnian mereka berhasil. Mereka memiliki tong-tong berisi sutra sutra di fasilitas mereka, siap untuk dipintal menjadi serat.

Masalahnya adalah tong-tong tersebut mewakili sekitar $2 juta protein yang tidak ada yang tahu bagaimana mengubahnya menjadi sesuatu yang menguntungkan.

Perusahaan ini telah menghabiskan waktu delapan tahun dan dana sebesar $50 juta untuk mencapai titik ini. Mereka memiliki bukti konsep. Mereka memiliki publikasi. Mereka memiliki paten. Yang tidak mereka miliki adalah jalan dari “kita bisa melakukan ini di laboratorium” menjadi “kita bisa menjualnya dengan harga yang lebih mahal daripada biaya pembuatannya.”

Dua tahun kemudian, Nexia mengalami kebangkrutan.

Ini adalah lembah kematian, dan di sinilah sebagian besar perusahaan biomaterial akan mati. Bukan di awal, ketika ilmu pengetahuan masih belum pasti. Bukan di akhir, ketika produksi ditingkatkan dan pelanggan membeli. Tetapi di tengah-tengah-dalam transisi brutal dari teknologi yang telah didemonstrasikan ke manufaktur yang layak.

Sutra laba-laba telah mati di lembah ini selama tiga puluh tahun.

Ilusi Kemajuan

Ada dinamika yang khas dalam penelitian ilmu material yang membuat kegagalan terlihat seperti momentum ke depan. Setiap tahun, seseorang menerbitkan sebuah makalah yang menunjukkan peningkatan hasil protein, atau sifat serat yang lebih baik, atau pendekatan pemintalan yang baru. Setiap beberapa tahun, sebuah perusahaan rintisan mengumumkan bahwa mereka telah mencapai kapasitas produksi “terobosan”.

Angka-angka tersebut terdengar mengesankan: “10x peningkatan efisiensi fermentasi.” “Kekuatan serat mencapai 800 MPa.” “Kapasitas produksi 50 kilogram per tahun.”

Bagi orang di luar bidang ini - investor, jurnalis, kontraktor pertahanan - hal ini terdengar seperti pencapaian besar. Kedengarannya seperti sebuah industri yang semakin mendekati kelayakan komersial.

Bagi seseorang yang memahami industri manufaktur, mereka terdengar seperti seseorang yang sedang merayakan bahwa mereka telah belajar berjalan sambil mencoba lolos ke Olimpiade.

Kesenjangan antara keberhasilan laboratorium dan kelayakan industri tidaklah linier. Bahkan tidak juga logaritmik. Ini adalah serangkaian masalah majemuk yang saling melipatgandakan, menciptakan penghalang yang semakin sulit saat Anda mendekatinya.

Apa Arti Sebenarnya dari “Skala Industri”

Ketika sebuah perusahaan rintisan mengumumkan produksi 50 kilogram per tahun, siaran persnya sering kali menyertakan proyeksi: “Kapasitas ini dapat ditingkatkan menjadi 500 kilogram, kemudian 5 ton, sehingga memungkinkan aplikasi komersial pada tekstil berkinerja tinggi.”

Inilah yang dilewatkan oleh proyeksi tersebut: bahan industri tidak dikonsumsi dalam kilogram. Mereka dikonsumsi dalam ton. Ribuan ton.

Produksi nilon tekstil global: sekitar 6 juta ton per tahun. Produksi serat para-aramid (termasuk Kevlar): sekitar 110.000 ton per tahun. Bahkan serat aramid khusus menempati ceruk pasar yang diukur dalam ribuan ton per tahun.

Untuk menjadi relevan di pasar serat kinerja - tidak dominan, hanya relevan - Anda harus mampu memproduksi minimal ratusan ton per tahun. Jika tidak, Anda tidak dapat memasok kontrak. Anda tidak dapat menjamin konsistensi. Anda tidak dapat mencapai skala ekonomis yang membuat harga Anda kompetitif.

Lima puluh kilogram per tahun terdengar sangat banyak jika Anda adalah seorang peneliti yang sebelumnya menghasilkan 50 gram. Ini adalah peningkatan seribu kali lipat. Rasanya seperti sebuah kesuksesan.

Tapi lima puluh kilogram per tahun adalah sekitar 140 gram per hari. Itu lima ons. Anda bisa membawa seluruh produksi tahunan Anda dalam tas belanja.

Jarak dari 50 kilogram per tahun menjadi 100 ton per tahun bukanlah kemajuan tambahan. Ini adalah peningkatan 2.000 kali lipat. Dan setiap langkah peningkatan itu menimbulkan masalah baru.

Bencana Kontaminasi

Salah satu aspek yang paling brutal dari manufaktur biologis adalah risiko kontaminasi. Ini adalah masalah yang telah dipelajari oleh perusahaan farmasi selama puluhan tahun, dengan biaya yang sangat besar. Perusahaan biomaterial mempelajari pelajaran yang sama, dengan dana yang jauh lebih sedikit dan margin kesalahan yang jauh lebih kecil.

Begini skenarionya: Anda menjalankan bioreaktor 10.000 liter untuk menumbuhkan ragi yang menghasilkan protein sutra laba-laba. Fermentasi membutuhkan waktu 3-5 hari. Pada akhirnya, jika semuanya berjalan dengan sempurna, Anda akan mendapatkan 10.000 liter kaldu fermentasi yang mengandung sekitar 30 kilogram protein.

30 kilogram tersebut bernilai - dengan harga yang paling optimis - sekitar $3.000 hingga $10.000, tergantung pada biaya produksi Anda. Keseluruhan batch tersebut mungkin mewakili bahan baku (gula, nutrisi, media pertumbuhan), energi, dan tenaga kerja senilai $20.000.

Sekarang bayangkan sebuah peristiwa kontaminasi. Bakteri masuk ke dalam reaktor. Mungkin dari sistem penanganan udara. Mungkin dari katup yang tidak disterilkan dengan benar. Mungkin dari pasokan air. Kontaminasi tidak hanya memperlambat pertumbuhan ragi, tetapi juga secara aktif mengkonsumsi nutrisi yang dimaksudkan untuk strain rekayasa Anda. Ini menghasilkan produk limbah yang dapat mengubah sifat protein Anda. Ini mengubah batch mahal Anda menjadi limbah yang tidak dapat diselamatkan.

Dalam pengaturan laboratorium kecil - labu 1 liter, teknik steril yang cermat, peneliti yang memantau kontaminasi secara terus-menerus - kontaminasi jarang terjadi. Dalam bioreaktor industri 10.000 liter yang beroperasi terus menerus selama berhari-hari, dengan beberapa jalur umpan, port pengambilan sampel, dan sistem kontrol suhu, kontaminasi merupakan ancaman yang terus-menerus terjadi.

Manufaktur farmasi menangani hal ini melalui langkah-langkah ekstrem: ruang bersih, sterilisasi berlebihan, komponen bioreaktor sekali pakai, pengujian kualitas yang ekstensif di setiap tahap. Langkah-langkah ini berhasil. Langkah-langkah ini juga membutuhkan biaya jutaan dolar untuk diterapkan dan dipelihara.

Perusahaan biomaterial yang mencoba bersaing dengan nilon $2 per kilogram tidak mampu membeli kontrol kontaminasi tingkat farmasi. Tetapi mereka juga tidak mampu kehilangan batch. Tingkat kontaminasi bahkan 5%-satu batch yang gagal dalam dua puluh batch-dapat menghancurkan ekonomi Anda sepenuhnya ketika margin Anda sudah tipis.

Biaya Pemurnian yang Tidak Dibicarakan Orang Lain

Setelah fermentasi, Anda akan mendapatkan sup biologis yang kompleks: sel ragi, media pertumbuhan yang sudah tidak terpakai, produk sampingan metabolisme, dan di suatu tempat di antara kekacauan itu, protein sutra laba-laba. Sekarang Anda perlu mengekstraknya.

Proses ini, yang disebut pemrosesan hilir, secara konsisten merupakan bagian yang paling mahal dari manufaktur biologis. Untuk sutra laba-laba, proses ini sering kali mencapai 40-60% dari total biaya produksi.

Protein perlu dipisahkan dari massa sel. Hal ini memerlukan pemecahan sel (jika protein bersifat intraseluler) atau memisahkannya dari sel (jika protein disekresikan ke dalam medium). Kemudian Anda perlu membuang semua protein, asam nukleat, lipid, dan puing-puing sel lainnya.

Proses ini biasanya melibatkan beberapa langkah: sentrifugasi untuk menghilangkan sel, penyaringan untuk menghilangkan kontaminan besar, kromatografi untuk memisahkan protein dari yang lainnya, dan akhirnya konsentrasi untuk mendapatkan protein dengan kepadatan tinggi yang diperlukan untuk pemintalan.

Setiap langkah membutuhkan biaya. Sentrifugal mengkonsumsi energi. Filter tersumbat dan perlu diganti. Resin kromatografi mahal dan memiliki siklus penggunaan ulang yang terbatas. Konsentrasi membutuhkan membran ultrafiltrasi yang mahal atau penguapan yang boros energi.

Tetapi inilah pembunuh yang sebenarnya: biaya-biaya ini tidak berkurang secara proporsional. Menjalankan proses pemurnian kecil biayanya hampir sama dengan biaya per kilogram seperti menjalankan proses pemurnian besar-karena Anda membutuhkan peralatan yang sama, kontrol kualitas yang sama, dan tenaga kerja terampil yang sama.

Hal ini menciptakan lingkaran setan. Anda tidak dapat membeli peralatan skala industri sampai Anda memproduksi pada volume industri. Tetapi Anda tidak dapat mencapai volume industri secara menguntungkan sampai Anda memiliki peralatan skala industri yang menurunkan biaya pemurnian per kilogram.

Beberapa perusahaan sutra laba-laba telah menemukan, setelah bertahun-tahun pengembangan, bahwa biaya pemurnian saja-sebelum pemintalan, sebelum ada nilai tambah-membuat produk mereka tidak kompetitif dengan bahan yang ada. Mereka telah mengoptimalkan fermentasi, mencapai hasil yang tinggi, dan tetap tidak dapat membuat keekonomiannya berjalan.

Konsistensi: Pembunuh yang Tak Terlihat

Di laboratorium, variabilitas sangat diharapkan. Batch A menghasilkan 27 gram protein per liter. Batch B menghasilkan 31 gram per liter. Anda mencatat perbedaannya di buku catatan laboratorium Anda, menyelidiki apa yang berubah, dan melanjutkan.

Dalam produksi industri, variabilitas ini adalah bencana.

Pelanggan industri-produsen tekstil, kontraktor pertahanan, perusahaan perangkat medis-membutuhkan bahan dengan sifat spesifik dan terjamin. Ketika mereka memesan 1.000 kilogram serat dengan kekuatan tarik 1,0 GPa dan perpanjangan putus 15%, mereka membutuhkan setiap kilogramnya untuk memenuhi spesifikasi tersebut.

Tidak rata-rata. Tidak sebagian besar waktu. Setiap kilogram, setiap batch, selamanya.

Hal ini sangat sulit dilakukan pada manufaktur biologis. Performa fermentasi bervariasi dengan perubahan halus pada suhu, laju pencampuran, waktu pemberian pakan, dan bahkan usia kultur sel. Kualitas protein bervariasi dengan kondisi fermentasi-galur genetik yang sama dapat menghasilkan protein dengan pelipatan yang sedikit berbeda, modifikasi pasca-translasi yang berbeda, dan kemurnian yang berbeda.

Variasi-variasi ini bertingkat-tingkat. Protein yang sedikit berbeda yang masuk ke dalam proses pemintalan menghasilkan serat dengan sifat mekanik yang sedikit berbeda. Batch yang 5% lebih kuat dari spesifikasi sama bermasalahnya dengan batch yang 5% lebih lemah-pelanggan tidak dapat menggunakan material yang berada di luar rentang toleransi mereka.

Mencapai konsistensi dari batch ke batch membutuhkan kontrol proses yang obsesif. Setiap parameter harus dipantau dan dipertahankan dalam rentang waktu yang ketat. Setiap masukan-bahan baku, air, udara-harus konsisten dalam hal kualitas. Setiap peralatan harus bekerja secara identik setiap saat.

Perusahaan farmasi mencapai hal ini melalui apa yang disebut validasi proses: dokumentasi yang ekstensif, kontrol proses statistik, dan pengujian yang lengkap. Mereka mampu melakukan hal ini karena perusahaan farmasi memiliki margin yang sangat besar. Sebuah terapi protein dapat dijual seharga $10.000 per kilogram atau lebih.

Protein sutra laba-laba, agar dapat bersaing sebagai bahan, harus dijual dengan harga di bawah $100 per kilogram - idealnya di bawah $50. Tidak ada margin untuk biaya overhead kontrol kualitas yang ekstensif. Tetapi juga tidak ada pasar tanpa itu.

Beberapa perusahaan telah berjuang dengan ketegangan ini. Mereka dapat menghasilkan serat dengan sifat rata-rata yang sangat baik, tetapi variasi antar batch terlalu tinggi. Mereka memiliki satu batch yang diuji pada 90% untuk sifat sutra alami dan menjadi bersemangat. Batch berikutnya akan diuji pada 60%. Batch ketiga akan kembali pada 85%.

Bagi pelanggan industri, ketidakkonsistenan ini membuat bahan tersebut tidak dapat digunakan. Anda tidak bisa mendesain produk di sekitar bahan yang propertinya tidak bisa Anda jamin. Tidak masalah jika rata-ratanya bagus jika rentangnya terlalu lebar.

Jebakan Belanja Modal

Inilah realitas ekonomi yang paling brutal dari peningkatan skala material: kebutuhan belanja modal muncul sebelum pendapatan tiba.

Untuk memproduksi serat sutra laba-laba dengan volume yang relevan secara komersial-katakanlah, 100 ton per tahun-Anda membutuhkannya:

- Kapasitas fermentasi skala industri: beberapa bioreaktor 50.000+ liter

- Peralatan pemrosesan hilir: sentrifugal industri, sistem filtrasi, kolom kromatografi

- Peralatan pemintalan serat: sistem yang dirancang khusus (karena peralatan pemintalan komersial tidak dapat digunakan untuk sutra laba-laba)

- Laboratorium kontrol kualitas: peralatan analitik, rig pengujian, personel terlatih

- Fasilitas infrastruktur: ruang bersih, utilitas, penanganan limbah, penyimpanan

Total biaya modal untuk fasilitas yang mampu memproduksi 100 ton serat sutra laba-laba per tahun? Estimasi dari para ahli industri berkisar antara $50 juta hingga $150 juta, tergantung pada teknologi dan lokasi tertentu.

Uang ini perlu dikumpulkan dan dibelanjakan sebelum Anda memproduksi ton komersial pertama Anda. Sebelum Anda memiliki pelanggan. Sebelum Anda mengetahui dengan pasti bahwa proses Anda akan bekerja pada skala penuh. Sebelum Anda memiliki pendapatan.

Inilah yang disebut oleh para pemodal ventura sebagai model bisnis “padat modal”, dan mereka membencinya. Bisnis ideal yang didukung oleh modal ventura adalah bisnis yang ringan aset: perangkat lunak, layanan, hal-hal yang dapat berkembang dengan modal tambahan minimal. Manufaktur material adalah kebalikannya. Bisnis ini padat aset, padat modal, dan lambat mencapai profitabilitas.

Imbal hasilnya juga lebih rendah. Bahkan jika semuanya berjalan dengan baik, perusahaan material dapat mencapai margin keuntungan 20-30% di pasar yang matang. Perusahaan perangkat lunak yang sukses dapat mencapai margin 80%+. Untuk jumlah modal dan risiko yang diinvestasikan yang sama, perusahaan modal ventura lebih suka mendanai perangkat lunak.

Hal ini menjelaskan mengapa begitu banyak perusahaan sutra laba-laba yang kehabisan uang saat mereka mendekati skala besar. Mereka mengumpulkan $10 juta untuk mengembangkan teknologi. Mereka mengumpulkan $20 juta lagi untuk membangun pabrik percontohan. Sekarang mereka membutuhkan $100 juta untuk membangun produksi komersial, tetapi para investor sudah kehabisan dana, jadwal telah diperpanjang dari “3 tahun untuk memasarkan” menjadi “mungkin 5 tahun lagi,” dan tidak ada yang mau menulis cek berikutnya.

Tarian Skala yang Mematikan

Aspek paling kejam dari masalah peningkatan skala biomaterial adalah Anda tidak dapat memvalidasi proses Anda sampai Anda membangun dalam skala besar, tetapi Anda tidak dapat membenarkan pembangunan dalam skala besar sampai Anda memvalidasi proses Anda.

Produksi skala kecil-100 liter, 1.000 liter, bahkan 10.000 liter-tidak dapat memprediksi bagaimana kinerja proses pada 100.000 liter. Dinamika pencampuran berubah. Perpindahan panas menjadi lebih sulit. Risiko kontaminasi meningkat. Perilaku peralatan berubah.

Perusahaan farmasi menangani hal ini melalui proses peningkatan skala yang metodis: studi percontohan yang ekstensif, karakterisasi yang cermat pada setiap skala, proyeksi yang konservatif. Mereka mampu melakukan ini karena mereka bekerja untuk menghasilkan produk yang dapat dijual seharga $100.000 per kilogram.

Perusahaan-perusahaan material bekerja untuk menghasilkan produk yang harus dijual seharga $50 per kilogram. Mereka tidak mampu melakukan studi percontohan yang cermat selama bertahun-tahun. Mereka ditekan oleh investor untuk bergerak cepat, untuk mencapai skala komersial dengan cepat, untuk mulai menghasilkan pendapatan sebelum uangnya habis.

Jadi mereka membuat lompatan yang lebih besar. Mereka menskalakan dari 1.000 liter menjadi 50.000 liter berdasarkan data yang terbatas. Dan terkadang bekerja secara berbeda dari yang diharapkan. Tingkat kontaminasi lebih tinggi. Hasil protein lebih rendah. Efisiensi pemurnian turun.

Sekarang Anda telah menghabiskan $30 juta untuk membangun fasilitas yang tidak berkinerja seperti yang diproyeksikan. Biaya per kilogram Anda 50% lebih tinggi daripada yang diprediksi model Anda. Anda tidak kompetitif. Anda tidak dapat mengumpulkan lebih banyak uang karena Anda telah gagal dalam skala besar.

Perusahaan yang “hanya beberapa tahun dari produksi komersial” tiba-tiba hanya beberapa bulan dari kebangkrutan.

Mengapa “Kilogram Per Tahun” Adalah Jebakan

Ketika perusahaan sutra laba-laba mengumumkan pencapaian produksi-”Kami telah mencapai kapasitas produksi 100 kilogram”-sering kali hal tersebut benar secara teknis, tetapi tidak berarti secara ekonomis.

Kapasitas 100 kilogram per tahun berarti Anda bisa menghasilkan sekitar 275 gram per hari. Itu cukup untuk memasok laboratorium penelitian, untuk membuat bahan prototipe, untuk mendemonstrasikan bukti konsep. Itu tidak cukup untuk memasok satu pelanggan industri dengan satu lini produk.

Produsen otomotif yang menggunakan serat berkinerja tinggi dalam komponen komposit mungkin membutuhkan 10-50 ton per tahun hanya untuk satu aplikasi. Kontraktor pertahanan yang memproduksi pelindung tubuh membutuhkan ratusan ton per tahun. Produsen tekstil membutuhkan ribuan ton per tahun.

Kesenjangan antara “kita bisa menghasilkan ini” dan “kita bisa menghasilkan cukup banyak untuk menjadi penting” adalah tempat sebagian besar perusahaan biomaterial terjebak. Mereka telah memecahkan masalah ilmiah, mendemonstrasikan teknologinya, dan sekarang mereka terjebak dalam fase peningkatan yang membutuhkan modal yang tidak dapat mereka kumpulkan, keahlian yang tidak mereka miliki, dan waktu yang tidak dapat diberikan oleh investor mereka.

Mereka merayakan pencapaian kilogram karena itu adalah kemajuan nyata dari tempat mereka memulai. Tetapi pasar tidak peduli dengan kilogram. Pasar peduli dengan ton, konsistensi, dan harga.

Dan itulah sebabnya, setelah tiga puluh tahun berkembang, setelah ribuan makalah penelitian dan ratusan juta investasi, Anda masih belum bisa membeli serat sutra laba-laba dalam jumlah industri dengan harga yang masuk akal secara komersial.

Lembah kematian telah merenggut hampir semua orang yang pernah mencoba menyeberanginya. Dan beberapa orang yang selamat yang telah berhasil menyeberang masih berjalan, masih bertahun-tahun jauhnya dari sisi lain, membakar uang di setiap langkahnya.

Jebakan Biomimikri: Mengapa “Meniru Alam” Selalu Gagal

Pada tahun 1948, seorang insinyur Swiss bernama George de Mestral kembali dari perjalanan berburu dengan penuh duri. Alih-alih mengutuk dan mencabuti duri-duri tersebut, ia malah memeriksanya di bawah mikroskop. Kait-kait kecil pada permukaan duri telah tersangkut di dalam lilitan kainnya. Empat tahun kemudian, dia menemukan Velcro.

Ini adalah kisah asal mula biomimikri, yang diulang-ulang dalam studi kasus di sekolah bisnis dan inovasi: lihatlah alam, tiru mekanismenya, dapatkan keuntungan. Ini adalah kerangka kerja yang menggoda. Alam telah memiliki waktu miliaran tahun untuk mengoptimalkan solusi. Kita hanya perlu mengamati, memahami, dan meniru.

Sutra laba-laba menjadi anak poster untuk pendekatan ini. Evolusi telah menghabiskan 400 juta tahun untuk menyempurnakan materi super. Yang perlu kita lakukan hanyalah menirunya.

Tiga puluh tahun kemudian, kami masih mencoba. Dan kegagalan yang konsisten ini menunjukkan sesuatu yang tidak nyaman tentang biomimikri sebagai strategi inovasi: terkadang meniru alam bukanlah rekayasa yang cerdas. Terkadang itu adalah jebakan yang membawa Anda secara sistematis ke arah yang salah.

Apa yang Sebenarnya Dioptimalkan oleh Evolusi

Inilah kesalahpahaman mendasar yang menghancurkan industri sutra laba-laba sejak awal: evolusi tidak mengoptimalkan efisiensi, biaya, atau skalabilitas. Evolusi mengoptimalkan keberhasilan reproduksi dalam konteks ekologi tertentu.

Sistem produksi sutra laba-laba dioptimalkan untuk pemangsa soliter yang perlu menghasilkan beberapa meter serat per hari untuk menangkap serangga dan menghindari dimakan. Itu saja. Itulah kriteria kebugaran yang digunakan evolusi.

Sistem ini harus bekerja dengan cukup andal-tidak sempurna, hanya cukup baik untuk membuat laba-laba tetap hidup cukup lama untuk bereproduksi. Sistem ini perlu menggunakan sumber daya yang tersedia bagi laba-laba-protein dari mangsa yang dicerna, energi metabolisme dari makanan yang sama. Proses ini sama sekali tidak perlu cepat, atau murah (dalam hal ekonomi), atau konsisten dalam cara-cara yang penting bagi industri manufaktur.

Laba-laba mendaur ulang jaringnya setiap hari, memakan sutra yang sudah tua untuk mendapatkan kembali proteinnya. Jika sehelai benang putus, laba-laba akan membuat yang baru. Jika produksi sutra lebih lambat pada pagi yang dingin, tidak masalah-laba-laba akan menangkap lebih sedikit serangga pada hari itu, tetapi tidak akan kelaparan. Sistem biologis memiliki fleksibilitas, redundansi, dan toleransi kesalahan.

Manufaktur industri tidak dapat mentolerir semua ini. Pabrik yang memproduksi serat 20% lebih sedikit pada hari yang dingin adalah pabrik yang gagal. Sebuah proses yang membutuhkan daur ulang dan pemrosesan ulang kesalahan adalah proses yang tidak ekonomis. Sebuah sistem yang bekerja “cukup andal” dan bukannya “sempurna setiap saat” akan dimatikan.

Evolusi mengoptimalkan laba-laba untuk bertahan hidup di alam. Kita membutuhkan optimasi untuk mendapatkan keuntungan dalam kapitalisme. Ini bukan masalah optimasi yang sama.

Hukum Penskalaan yang Diabaikan oleh Alam

Ada masalah yang lebih dalam yang jarang dibahas oleh para pendukung biomimikri: sistem alam tidak berskala linier, dan sering kali tidak berskala sama sekali.

Saluran pemintalan laba-laba memiliki panjang sekitar 5 milimeter dan lebar setengah milimeter. Obat bius sutra mengalir melaluinya dengan kecepatan yang diukur dalam milimeter per detik. Dimensi ini menciptakan dinamika fluida tertentu-aliran laminar, gaya geser yang terkendali, difusi ion dan gradien pH yang dapat diprediksi.

Sekarang bayangkan meningkatkan skala ini dengan faktor 100. Anda ingin memproses sutra 100 kali lebih banyak, jadi Anda membuat saluran yang volumenya 100 kali lebih besar - mungkin panjangnya 50 milimeter dan lebar 5 milimeter.

Fisika tidak berskala. Sama sekali.

Hubungan antara luas permukaan sistem dan volumenya berubah dengan skala. Jika Anda menggandakan dimensi linier sebuah tabung, Anda melipatgandakan luas permukaannya, tetapi meningkatkan volumenya delapan kali lipat. Hal ini memengaruhi perpindahan panas, laju difusi, dan dinamika pencampuran dengan cara yang tidak dapat dihindari secara matematis.

Yang lebih penting lagi, rezim aliran berubah. Saluran kecil laba-laba beroperasi dalam kisaran di mana gaya kental mendominasi - alirannya lancar dan dapat diprediksi. Tingkatkan skalanya, tingkatkan laju aliran untuk mempertahankan hasil yang ekonomis, dan Anda baru saja berpindah ke rezim di mana gaya inersia mendominasi. Aliran menjadi bergejolak. Geseran laminar yang hati-hati yang menyelaraskan protein digantikan oleh pencampuran kacau yang mengacaukannya.

Ini bukan masalah yang bisa Anda rekayasa. Ini fisika. Persamaan dinamika fluida bersifat non-linear. Perilaku fluida pada skala yang berbeda pada dasarnya berbeda.

Anda tidak bisa membuat pemintal yang lebih besar. Pemintal yang lebih besar beroperasi dalam rezim fisik yang berbeda di mana solusi laba-laba tidak berfungsi.

Masalah Integrasi

Sistem produksi sutra laba-laba bukanlah modul yang berdiri sendiri. Sistem ini sangat terintegrasi ke dalam seluruh fisiologi laba-laba.

Kelenjar sutra dipasok dengan nutrisi dari sistem pencernaan laba-laba, yang telah mengurai dan memproses bahan mentah. Gradien pH dalam saluran pemintalan dipertahankan oleh sel-sel yang didukung oleh metabolisme laba-laba dan dikendalikan oleh sistem sarafnya. Gaya tarik mekanis berasal dari kaki laba-laba, dengan umpan balik proprioseptif yang memberi tahu laba-laba seberapa cepat untuk menarik dan berapa banyak ketegangan yang harus diterapkan.

Kontrol suhu? Suhu tubuh laba-laba. Pasokan ion? Hemolimfa (darah) laba-laba. Pembuangan limbah? Sistem ekskresi laba-laba. Kontrol kualitas? Jika sutranya tidak berfungsi dengan baik, laba-laba akan melakukan kompensasi dengan menarik lebih keras, menyesuaikan arsitektur jaringnya, atau membangun ulang seluruhnya.

Seluruh sistem bekerja karena tertanam dalam organisme hidup yang memberikan konteks, kontrol, dan koreksi secara otomatis.

Sekarang cobalah untuk mengekstrak saluran pemintalan dan mereplikasi di pabrik. Anda perlu menyediakan semua sistem pendukung secara artifisial. Anda membutuhkan pompa untuk mengedarkan ion. Sistem kontrol untuk mengatur pH. Pengaturan suhu. Sensor gaya dan loop umpan balik. Peralatan analitik untuk mendeteksi ketika ada yang tidak beres.

Anda tidak sedang menyalin pemintal laba-laba. Anda mencoba menyalin seluruh laba-laba, minus bagian yang tidak Anda inginkan. Dan ternyata Anda tidak dapat memisahkannya dengan bersih.

Ini adalah jebakan biomimikri yang paling murni: solusi elegan yang Anda coba tiru hanya berhasil karena terintegrasi ke dalam sistem biologis yang kompleks. “Solusi” dan “sistem” tidak dapat dipisahkan. Anda tidak dapat memiliki salah satunya tanpa yang lain.

Evolusi Struktur Biaya Tidak Dipedulikan

Inilah sebuah eksperimen pemikiran: Berapa “biaya” yang harus dikeluarkan laba-laba untuk menghasilkan sutra?

Dari perspektif ekonomi, pertanyaan ini tidak masuk akal. Laba-laba tidak membeli bahan makanan. Laba-laba menangkap mangsa, mencernanya, dan menggunakan asam amino yang dihasilkan. Tidak ada faktur, tidak ada harga per kilogram, tidak ada harga pokok penjualan.

Biaya energi? Metabolisme laba-laba menyediakannya, didukung oleh mangsa yang sama. Tidak ada tagihan listrik. Peralatan modal? Kelenjar sutra tumbuh secara alami sebagai bagian dari perkembangan laba-laba. Tidak ada jadwal penyusutan.

“Fasilitas produksi” laba-laba bebas, mereplikasi diri, dan memelihara diri sendiri. Bahan bakunya gratis. Energinya gratis. Kontrol kualitasnya adalah umpan balik saraf bawaan. Tenaga kerjanya adalah... ya, laba-laba itu sendiri.

Sekarang, pertimbangkan berapa biaya yang dibutuhkan pabrik untuk memproduksi sutra:

- Bahan baku: $5-15 per kilogram substrat gula untuk fermentasi

- Energi: listrik untuk bioreaktor, pompa, pengatur suhu, pemurnian

- Modal: bioreaktor, peralatan pemintalan, laboratorium kontrol kualitas-disusutkan dari waktu ke waktu

- Tenaga kerja: operator terampil, insinyur, teknisi kontrol kualitas

- Biaya overhead: pemeliharaan fasilitas, kepatuhan terhadap peraturan, asuransi

- Pembuangan limbah: kaldu fermentasi bekas, batch yang gagal, pelarut pemurnian

Setiap kategori biaya yang nol untuk laba-laba adalah nol-sering kali secara dramatis tidak nol-untuk manufaktur industri.

Evolution mengoptimalkan sistem di mana semua biaya ini dieksternalisasi, diserap oleh metabolisme normal laba-laba dan fungsi biologisnya. Kami mencoba mereplikasi output sambil membayar setiap input secara eksplisit.

Inilah sebabnya mengapa pendekatan “meniru alam” sudah ditakdirkan sejak awal. Kami tidak mencoba meniru proses manufaktur. Kami mencoba meniru hasil akhir dari sebuah proses manufaktur dengan menggunakan ekonomi dan batasan yang sama sekali berbeda.

Ini seperti melihat seseorang memasak makanan di dapur rumah mereka dan berpikir, “Saya akan meniru itu dan memulai sebuah restoran.” Koki rumahan tidak perlu khawatir dengan persentase biaya makanan, efisiensi tenaga kerja, atau peraturan departemen kesehatan. Restoran harus mengkhawatirkan semua itu. Resep yang sama menghasilkan ekonomi yang sama sekali berbeda dalam konteks yang berbeda.

Ketika Biomimikri Benar-Benar Bekerja

Sejujurnya, biomimikri tidak selalu merupakan jebakan. Velcro berhasil. Permukaan yang terinspirasi dari kulit ikan hiu yang mengurangi hambatan telah berhasil dikomersialkan. Perekat yang terinspirasi dari tokek adalah produk nyata.

Apa kesamaan yang dimiliki oleh kesuksesan-kesuksesan ini? Mereka meniru sebuah prinsip, bukan sebuah proses.

Velcro tidak mencoba menumbuhkan gerinda. Ini menggunakan kait dan loop plastik yang diproduksi melalui cetakan injeksi standar. Mekanismenya adalah biomimetik-kait yang menangkap loop-tetapi implementasinya bersifat industri.

Permukaan yang terinspirasi dari kulit hiu tidak mencoba meniru proses pertumbuhan biologis kulit hiu. Mereka menggunakan teknik mikrofabrikasi untuk menciptakan pola permukaan yang serupa pada bahan yang berbeda. Polanya bersifat biomimetik; produksinya adalah manufaktur konvensional.

Kegagalan-dan sutra laba-laba adalah contoh utamanya-terjadi ketika Anda mencoba meniru proses biologis itu sendiri. Ketika Anda mencoba membuat pabrik berperilaku seperti organisme.

Laba-laba menghasilkan sutra melalui proses biologis yang berevolusi dalam konteks biologis dengan kendala biologis dan ekonomi biologis. Mencoba meniru proses tersebut dalam konteks industri, dengan kendala industri dan ekonomi industri, adalah kesalahan kategori.

Biaya Komitmen yang Tenggelam (Sunk Cost of Commitment)

Pada pertengahan tahun 2000-an, banyak peneliti sutra laba-laba yang memahami masalah ini. Pendekatan biomimikri murni-mereplikasi pemintal, meniru proses alami semirip mungkin-tidak berhasil. Semakin dekat mereka meniru alam, semakin tidak ekonomis prosesnya.

Namun pada saat itu, ratusan juta dolar telah dihabiskan untuk pendekatan ini. Perusahaan-perusahaan telah membangun tumpukan teknologi mereka di sekitar pemintalan biomimetik. Mereka telah mempekerjakan ahli biologi yang berspesialisasi dalam fisiologi laba-laba. Mereka telah mengajukan paten yang menggambarkan proses manufaktur yang terinspirasi oleh biologi.

Beralih dari biomimikri berarti mengakui bahwa pendekatan fundamental telah salah. Ini berarti menghapus penelitian selama bertahun-tahun. Hal ini berarti menjelaskan kepada para investor mengapa strategi inti perlu diubah.

Begitu banyak perusahaan yang tidak melakukan pivot. Mereka tetap bertahan. Mereka terus mencoba membuat pendekatan biomimetik berhasil, menyesuaikan parameter, mengoptimalkan kondisi, mengejar peningkatan marjinal dalam kerangka kerja yang pada dasarnya cacat.

Ini adalah mekanisme terakhir dari jebakan ini: bukan hanya karena biomimikri mengarah ke arah yang salah. Namun, begitu Anda telah berkomitmen pada arah tersebut-secara intelektual, finansial, dan organisasi-hampir tidak mungkin untuk mengubah arah.

Perusahaan-perusahaan yang masih mengerjakan sutra laba-laba hingga saat ini, sebagian besar telah meninggalkan biomimikri murni. Mereka telah beralih ke apa yang bisa disebut sebagai bio-inspirasi: menggunakan prinsip-prinsip dari sutra laba-laba (struktur protein, arsitektur kristal-amorf) sambil mendesain ulang proses manufaktur untuk realitas industri.

Beberapa orang telah menyerah pada protein laba-laba sepenuhnya, merancang polimer sintetis yang meniru arsitektur molekul sutra dengan menggunakan kimia polimer konvensional. Tidak ada fermentasi. Tidak ada proses biologis. Hanya desain molekuler yang cermat yang meminjam konsep dari alam tanpa mencoba meniru implementasi alam.

Pendekatan-pendekatan ini mungkin saja berhasil. Namun, pendekatan-pendekatan ini bukanlah biomimikri. Mereka adalah rekayasa material yang kebetulan mendapatkan inspirasi dari biologi.

Apa yang Sebenarnya Diajarkan Sutra Laba-laba kepada Kita

Kisah sutra laba-laba bukanlah kegagalan ilmu pengetahuan. Ini adalah kegagalan strategi-sebuah studi kasus tentang bagaimana mengikuti alam secara harfiah dapat membuat Anda secara sistematis menjauh dari inovasi yang layak.

Pelajarannya bukanlah “jangan melihat alam.” Pelajarannya adalah “pahami apa yang sebenarnya dioptimalkan oleh alam sebelum mencoba menirunya.”

Evolusi mengoptimalkan organisme untuk ceruk ekologi mereka. Manufaktur industri mengoptimalkan keuntungan dalam ekonomi pasar. Ini adalah masalah optimasi yang sama sekali berbeda dengan batasan yang sama sekali berbeda dan kriteria keberhasilan yang berbeda.

Solusi laba-laba sangat cocok untuk laba-laba. Sangat buruk untuk sebuah pabrik. Dan tidak ada rekayasa cerdas yang dapat mengubah ketidakcocokan mendasar itu.

Inovasi nyata dalam sutra laba-laba-jika memang ada-tidak akan berasal dari peniruan laba-laba secara sempurna. Inovasi ini akan dimulai dengan memahami apa yang membuat sutra laba-laba bekerja pada tingkat molekuler, kemudian merancang proses yang sama sekali berbeda untuk mencapai hasil yang serupa dengan menggunakan metode industri, ekonomi industri, dan batasan industri.

Bukan biomimikri. Bio-inspirasi. Belajar dari alam, bukan mencoba untuk menjadi alam.

Laba-laba duduk di dalam jaringnya, sebuah solusi yang indah untuk masalah yang sebenarnya tidak kita miliki. Kami ingin menirunya karena terlihat elegan. Kami gagal karena keanggunan di alam dan kelangsungan hidup di industri adalah hal yang sama sekali berbeda.

Terkadang, ide terbaik dari alam adalah ide yang kita adaptasi dan ubah tanpa bisa dikenali. Dan terkadang-seperti yang diajarkan oleh sutra laba-laba kepada kita-ide-ide terbaik dari alam harus tetap berada di alam, dikagumi tetapi tidak ditiru, dipahami tetapi tidak dikomersialkan.

Jebakannya adalah berpikir bahwa karena sesuatu bekerja dengan sempurna dalam satu konteks, maka hal itu harus bekerja dalam konteks lain. Alam dan industri memainkan permainan yang sama sekali berbeda dengan aturan yang sama sekali berbeda. Mencoba memenangkan permainan industri dengan meniru aturan main alam adalah cara Anda menghabiskan tiga puluh tahun dan ratusan juta dolar untuk mempelajari apa yang seharusnya sudah jelas sejak awal.

Keajaibannya bukan karena sutra laba-laba itu menakjubkan. Keajaibannya adalah laba-laba membuatnya terlihat mudah. Dan kemudahan itu-keanggunan evolusioner itulah yang membuat seluruh industri berpikir bahwa masalahnya lebih sederhana daripada yang sebenarnya.

Penafian Gen AI

Beberapa konten halaman ini dibuat dan/atau diedit dengan bantuan AI Generatif.

Media

Vũ Bụi - Pexels

Andrii Lobur - Pexels

Chokniti Khongchum - Pexels

Soumyojit Sinha - Pexels

Engin Akyurt - Pexels

Sinan - Pexels

Erick Horta Reyes - Pexels

Rafael Minguet Delgado - Pexels

Jason Reid - Pexels

Referensi

Sutra laba-laba - Wikipedia bahasa Indonesia, ensiklopedia bebas
https://en.wikipedia.org/wiki/Spider_silk

Sutra laba-laba - PLOS ONE (2010)
https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0011234

Perpanjangan sutra laba-laba - Universitas Tennessee
https://lgross.utk.edu/LGrossTIEMwebsite/home/gross/public_html/bioed/bealsmodules/spider.html

Kambing BioSteel - The Globe and Mail (2000)
https://www.theglobeandmail.com/report-on-business/nexias-transgenic-spider-goat-to-produce-milk-of-steel/article1035969/

Evolusi sutra laba-laba - Berita Sains Hari Ini
https://www.sciencenewstoday.org/how-spiders-weave-webs-stronger-than-steel

Kevlar - Wikipedia bahasa Indonesia, ensiklopedia bebas
https://en.wikipedia.org/wiki/Kevlar

Ketangguhan serat Kevlar - ScienceDirect (2021)
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359836821005011

Laba-laba kulit kayu Darwin - Wikipedia bahasa Indonesia, ensiklopedia bebas
https://en.wikipedia.org/wiki/Darwin’s_bark_spider

Biaya sutra laba-laba sintetis - KraigLabs
https://www.kraiglabs.com/comparison/

Analisis tekno-ekonomi sutra laba-laba sintetis - Prosiding AIChE (2024)
https://proceedings.aiche.org/conferences/aiche-annual-meeting/2024/proceeding/paper/161b-techno-economic-analysis-and-life-cycle-assessment-synthetic-spider-silk-production

Panduan harga nilon - Derun Nylon
https://www.derunnylon.com/News/nylon-6-and-nylon-66-price-guide-costprice-per-kg-from-china

Analisis biaya Kevlar - MDPI Polymers
https://www.mdpi.com/2073-4360/17/16/2254

Serat BioSteel - Wikipedia bahasa Indonesia, ensiklopedia bebas
https://en.wikipedia.org/wiki/BioSteel_(fiber)

Produksi serat poliamida global - Statista
https://www.statista.com/statistics/649908/polyamide-fiber-production-worldwide/

Prospek industri serat aramid global - Doshine Material
https://www.doshinematerial.com/news/outlook-of-the-global-aramid-fiber-industry-84086734.html