夢の繊維

懐中電灯で照らすと、絹は光ファイバーケーブルのように光を受ける。一本一本が人間の髪の毛よりも細いのに、全速力で移動するハチを壊さずに止めることができるのだ。蜂は跳ねる。巣はたわむ。クモは目を覚まさない。.

この小さな物理学的デモンストレーションは、30年もの間、材料科学者たちを夢中にさせてきた。.

クモの糸の引張強度はおよそ1.0～1.5GPaで、高級鋼に匹敵する。絹の密度は鋼鉄の約6分の1であり、重さに換算すると、1本のクモの糸は同じ重さの鋼鉄の5倍の強度がある。防弾チョッキに使われているケブラーよりも丈夫で、破断するまでに吸収するエネルギーも大きい。クモの糸は長さの40％伸びても完璧に戻る。クモは彼女の腹の中で、室温で、消化した虫と水から作った。工場なし。石油もない。摂氏1500度の炉もない。.

国防省や民間企業は過去30年間、何億ドルもの資金を注ぎ込んで、これをコピーしようとしてきた。.

彼らはまだできない。.

発見を拒む聖杯

1990年代後半、ワイオミング大学の研究者がクモの糸タンパク質の遺伝子をヤギにクローニングすることに成功した。メディアは大騒ぎになった。. 時間 誌は、戦闘に革命をもたらす防弾チョッキについての記事を掲載した。防衛関連企業から電話がかかってきた。ベンチャーキャピタルは小切手を書き始めた。.

33年前のことだ。.

クモの糸の防弾チョッキはまだ買えない。クモの糸のロープも、クモの糸のパラシュートコードも、クモの糸の手術用縫合糸も、大規模には買えない。いくつかのブティック・テキスタイル会社が「スパイダーシルク繊維」を使った$300のネクタイを売ってくれますが、細かい字を読んでください：それは通常、従来の合成繊維との混紡で、重くカットされ、工業的な関連性に必要なトン数ではなく、年間キログラム単位で作られます。.

私たちはクモの糸を機能させているものを正確に知っている。私たちはクモの糸の遺伝子を解読し、分子構造をマッピングし、その構造をナノメートル単位で分析した何千もの査読付き論文を発表してきた。バクテリア、酵母、ヤギ、カイコ、そして遺伝子組み換えアルファルファでさえも、クモの糸タンパク質の生産に成功している。.

しかし、30年にわたる努力と数億ドルの投資、そして人類がこれまでに開発した最も洗練されたバイオテクノロジーをもってしても、クモの糸は基本的に実験室での好奇心の対象でしかない。.

問題はクモの糸が注目に値するかどうかではない。問題は、なぜこれほど驚くべきものが、そしてこれほど徹底的に理解されたものが、クモの外側に存在することを拒むのか、ということである。.

誰もがこれを強く望んだ理由

そのこだわりを理解するには、クモの糸が埋められるように設計されたと思われる、素材の世界におけるギャップを理解する必要がある。.

現代文明は、驚くほど少数の高性能素材によって支えられている。軽くて硬いものが必要なら、炭素繊維を使う。自転車や航空機には最適だが、もろい。故障することなく衝撃を吸収するものが必要なら、ケブラーを使う。重量比で非常に強いものが必要な場合は、超高分子量ポリエチレンを使う。耐切創性の手袋には最適だが、剛性が必要なものには不向きだ。.

すべての材料は、特性をトレードオフする。高い強度は通常脆さを意味する。強靭さは通常、重さを意味する。柔軟性は通常、弱さを意味する。.

クモの糸はこのルールを破っていたようだ。.

強度と靭性の曲線において、人工素材では到達できない不思議なスポットに位置しているのだ。クモが安全糸や網の放射状の糸として使用するドラッグラインのシルクは、鋼鉄に匹敵する強度を持ち、ケブラーを超える強靭さを持つ。どちらか一方ではない。両方だ。.

この収束は、まったく異なる業界間で一致する稀有な瞬間を生み出した。国防総省は、弾丸のエネルギーをより多く吸収できる、より軽い防護服を求めていた。繊維メーカーは、石油を必要としない生分解性の高性能繊維を求めていた。医療機器メーカーは、身体が拒絶反応を示さない生体適合性の縫合糸を求めていた。航空宇宙エンジニアは、超軽量のテザーや複合材を求めていた。.

みんなクモの糸を欲しがっていた。.

私たちが合成できるものより強く、持続可能な方法で生産され、生体組織と適合する。バイオテクノロジー革命の勃興期、科学者たちが遺伝子をソフトウェア・コードのように編集することを学んだばかりの頃、クモの糸は、自然がすでに我々の最も困難な素材の問題を解決している証拠に見えた。私たちがすべきことは、そのレシピをコピーすることだけだった。.

進化は4億年かけてこの素材を最適化したのだ。私たちはその青写真を借りるだけでいいのだ。.

完璧ではなかった “完璧な素材

しかし、この話はここからが面白く、最初の誇大宣伝が解け始めたところでもある。.

いつも耳にする「鋼鉄より強い」というフレーズは、技術的には正しいが、重大な誤解を招く。クモの糸は重量比で鋼鉄よりも強く、エンジニアたちはこれを比強度と呼んでいる。これは、1グラム1グラムが重要な航空機や宇宙船を作る場合には非常に重要なことです。絶対的な強度と剛性が必要な橋や建物を作る場合は、それほど重要ではありません。.

そして剛性は？そこでクモの糸の限界が痛いほど明らかになる。.

材料科学者は、強さ（壊れるまでにどれだけの力がかかるか）、剛性（伸びたり曲がったりするのにどれだけ耐えられるか）、靭性（壊れるまでにどれだけのエネルギーを吸収できるか）という3つの重要な次元で性能を考えます。この3つのトレードオフを視覚化することができます。カーボンファイバーは、高強度、高剛性のコーナーを独占するが、衝撃を受けると粉々になる。ケブラーは高靭性ゾーンを支配するが、特に剛性が高いわけではない。ゴムは弾力性があるが弱い。.

クモの糸は、優れた強度と卓越した強靭さを兼ね備えているのだ。それは、壊れることなく大量のエネルギーを吸収する能力で、飛んでくる虫を止めたり、理論的には衝撃力を分散させたりするのに理想的なのだ。.

しかし、カーボンファイバーや高級スチールほどの剛性はありません。航空宇宙フレーム、自動車部品、建設資材など、剛性を必要とする用途ではスパイダーシルクは太刀打ちできない。クモの糸は、負荷がかかってもその形状を保つものが必要な場所では、たわんだり変形したりする。.

それから、熱安定性と化学的安定性の問題もある。ケブラーは摂氏400度まで耐えることができる。炭素繊維はさらに高い温度に耐える。クモの糸は？それはタンパク質だ。水和したクモの糸のタンパク質は60～80℃で変性し始めますが、乾燥した繊維は200℃以上にも耐えることができます。紫外線に長時間さらすと劣化する。特定の溶剤につけると溶ける。.

これは技術的な些細な問題ではない。アプリケーションのカテゴリー全体を排除する基本的な制約なのだ。.

初期のマーケティングでは、このことには一切触れられなかった。奇跡の素材」であるクモの糸は、合成繊維よりも優れているという普遍的な優位性を示唆していたのだ。ひとたび作り方がわかれば、あらゆる高性能の用途が自然に切り替わることを示唆していたのだ。.

それは、バイオミミクリーの哲学的な誘惑である。.

材料科学には、自然はすでに我々の最も困難な問題を解決しており、4億年の研究開発を経た進化は、我々がほとんど想像もつかないような解決策を最適化してきたという、ほとんどロマンティックな信念がある。それが真実であることもある。マジックテープはバリから生まれた。シャークスキンからヒントを得た表面は空気抵抗を減らす。ヤモリの足は新しい接着剤にインスピレーションを与えた。.

しかしクモの糸は、「自然を模倣する」ことが巧妙な工学であることをやめ、罠にはまった例として注意喚起の対象となった。というのも、進化が実際に最適化したものがここにあるからだ。それは、自らの体から生成し、損傷したら再利用し、外部エネルギーや道具を使わずに展開できる構造を使って、空飛ぶ昆虫を捕らえる必要のある孤独な捕食者である。.

工場、利益率、工業処理能力、品質管理、規制当局の承認、キログラムあたりのコストなどだ。.

クモはシルクの生産が工業的な基準からすれば「非効率的」であることなど気にしない。そのプロセスが小さなスケールでしか機能しないことも気にしない。一本一本の糸がナノスケールの精度を必要とし、それを達成するのに数秒かかることも気にしない。クモには世界中の時間があり、無料の生物学的労働力を使い、失敗作を食べることでリサイクルしているのだ。.

我々にはそんな贅沢はない。.

断ち切れないサイクル

それなのに、5年から7年ごとに同じ見出しが繰り返される：“科学者、超強力なクモの糸を開発”。プレスリリースはテンプレートに沿っている。研究チームは、タンパク質の生産におけるブレークスルー、繊維特性のわずかな改善、あるいはクモの紡糸口金にヒントを得た新しい紡績技術を発表する。記者はそれを “ゲームチェンジャー ”と呼ぶ。防衛専門誌は息をのむような特集を組む。ベンチャーキャピタルはピッチミーティングを予定している。.

そして静かに、何も変わらない。.

数百万ドルを調達した企業は、“隣接市場 ”に軸足を移す。有望なスピンアウト企業は、医療機器会社になり、バイオマテリアル・コンサルティング会社になり、破産申請の脚注となる。研究者たちは研究成果を発表し、「工業的なスケールアップは依然として困難である」と指摘し、研究室に戻る。.

このサイクルは何度も繰り返され、科学ジャーナリズムの一ジャンルとなった。.

なぜこんなことが続くのか？

その一部は構造的なものだ。クモの巣は視覚的に見事である。クモとハチの対決の映像は、科学ドキュメンタリーの格好のネタだ。鋼鉄よりも強く、羽毛よりも軽い」というフレーズはマーケティングの金字塔だ。バイオミミクリー（生物模倣）」という言葉を加えれば、技術者、環境保護主義者、未来派に同時にアピールできるストーリーができあがる。.

革命的なバイオ素材、巨大な市場（軍事、医療、繊維！）、持続可能な生産、商業化への明確な道筋。スパイダーシルクはすべての音を奏でる。完璧なピッチデッキだ。.

しかし、もっと深いものがある。数年に一度、あるチームが純粋に何か新しいことを成し遂げる。酵母でタンパク質をより高い収率で発現させる。溶液中でタンパク質が固まらないようにする方法を見つけた。より優れた合成紡糸糸を設計し、クモの自然なプロセスを少しでも再現しようとする。.

に掲載された。 自然 または サイエンス, そして、それらは純粋にこの分野を前進させる。10%より優れた繊維強度を示す実験室でのデモンストレーションは、正当な科学的進歩である。その同じ結果が「次世代防護服」についてのプレスリリースにまとめられると、突然また同じサイクルが始まる。.

問題は、科学を前進させることと製造業を前進させることは同じではないということだ。科学の進歩は出版物や引用で測られる。一方、産業の進歩はトン／年やドル／キログラムで測られる。大学の研究室での概念実証と、大規模に出荷される収益性の高い製品との間にあるこのギャップが、クモの糸が30年もの間、繰り返し死滅してきた原因なのだ。.

埋まらない溝

遺伝子組換え生物を使ってクモの糸タンパク質を工業的に大量生産することだ。企業はこれを実証している。タンパク質は存在する。限られた量であれば、専門の業者から買うことができる。.

そのタンパク質を、クモの糸を特別なものにしている特性を維持した繊維に変えるのだ。商業的に理にかなったコストで、工業生産に必要なスピードで、規制市場が求める一貫性を保ちながら。.

高価なタンパク質溶液の桶と使用可能な繊維の糸巻きとの間のこのギャップは、何億ドルものお金と何千人もの研究者の年月を飲み込んできた。.

クモは腹部の中で約3秒でそれを行う。その方法はまだわかっていない。.

それはちょっと違う。というのも、そのプロセスを非常に詳細に説明することができるからだ。クモの絹糸腺は、pHを調整し、イオン勾配を管理し、正確なせん断力を加え、分子の自己集合を引き起こす。われわれは、すべてのステップを分子レベルの分解能でマッピングした。.

キログラム当たり約$2のコストがかかり、年間数百万トンという単位で生産されるナイロンと競争するために必要なスピードと量で、そのプロセスを工場で再現することはできない。.

ここでバイオミミクリーの罠が残酷なまでに明らかになる。クモの紡糸口が機能するのは、それが小さいからであり、ゆっくりと作動するからであり、精密な生化学的制御を提供する生体システムに組み込まれているからである。これを大型化し、高速化し、産業機器に対応させれば、物理学は崩壊する。流体力学は変化する。クモのスケールではタンパク質を完璧に整列させるせん断力が、工場のスケールでは乱流を生み出す。微細なダクトでは機能するイオン勾配も、パイプでは維持できなくなる。.

クモを理解していないわけではない。私たちはそのメカニズムを極めて詳細に理解している。問題は、その理解がエンジニアリングに結びつかないことだ。クモのソリューションはクモであるために絶妙に最適化されている。工場としてはひどく最適化されている。.

これは、クモの糸産業が30年かけて解決しようとしてきた不愉快な真実である。素材は並外れたものだが、製造プロセス（液体タンパク質を固形繊維に変えるもの）にはナノスケールの制御が必要であり、私たちの最高の工業設備では経済的に実行可能な速度で達成することはできない。.

クモの糸品質の繊維をクモの糸レベルのスピードで、1日あたりグラム単位で生産することも、1キログラムあたり数千ドルのコストで生産することもできる。あるいは、工業規模のスピードで1日あたり何トンも生産することもできますが、その結果できる繊維は、そもそもクモの糸を特別なものにしていた特性そのものを失ってしまいます。強度は落ちる。強度は低下し、靭性は急落する。結局、ケブラーや普通のナイロンにさえ太刀打ちできない、高価で平凡な合成繊維ができあがるのだ。.

ハイゼンベルクの不確定性原理の材料科学版だ。作り方を知ることも、スケールを知ることもできるが、両方を同時に知ることはできない。.

なぜクモの糸が重要なのか

これは科学が間違っていたために失敗した技術の話ではない。クモの糸は機能する。存在するのだ。クモはクモ糸を年間数百万トン単位で、地球上のあらゆる陸上生態系に分布するように、継続的かつ確実に作り続けている。.

これは、科学的成果と商業的実現可能性の間の残酷なギャップ、つまり研究室で可能なことと市場で可能なことのギャップについての物語である。エンジニアにとって「自然をコピーする」ことは魅惑的だが、しばしば誤解を招く戦略である。ベンチャーキャピタルのタイムライン（7～10年でのリターンを要求）と材料科学の開発サイクル（コンセプトから商業規模まで通常15～20年を要する）の構造的ミスマッチについてである。.

つまり、タンパク質を安価に生産し、その構造を維持し、工業的な速度で繊維に紡績し、バッチ間の一貫性を確保し、50年にわたる製造の最適化を経た素材に匹敵するコストでこれらすべてを行うことである。.

クモの糸は、バイオミミクリーの過剰な約束の教科書的なケースとなった。自然を模倣することに集中するあまり、業界は人々が購入するような高性能繊維を作るという実際の目標から目を逸らしてしまったのだ。その繊維がクモの遺伝子から生まれたものであろうと、完全に合成されたアプローチから生まれたものであろうと、重要なのは性能とコストだけだった。.

生き残った企業はこの教訓を学んだ。クモのプロセスを完璧に再現しようとする純粋なバイオミミクリー（生物模倣）的アプローチを静かに放棄し、まったく異なる製造方法を用いながら原理を借用するバイオ・インスピレーション（生物霊感）的アプローチを採用している。バルク・ファイバーから完全に距離を置き、代わりに利益率の高い医療用途に注力する企業もある。そこでは、手術用インプラントに使用する数グラムの素材が数千ドルで売れることもあり、製造コストは関係ない。.

また、クモのタンパク質を完全にあきらめ、シルクの分子構造（ブロック構造、結晶と非結晶のバランス）を模倣した合成ポリマーを設計し、生物学的な荷物を取り除いた者もいる。これらの素材が “真の ”クモの糸になることはないだろうが、実際に市場に出回るかもしれない。.

クモは今も巣の中にぶら下がっており、獲物を包んでいる。30年の歳月と何十億もの投資、そして何千もの研究論文を経て、私たちはイノベーションに関する深い教訓を得た。.

奇跡の繊維が奇跡であり続けるのは、まさにその秘密（クモの腹部の中で3秒間に起こるナノスケールの振り付け）が工業化を拒んでいるからである。私たちはレシピを解読したが、キッチンを作ることはできない。設計図を読んでも建物を建てることはできない。.

そしておそらく、それが本当の話なのだろう。私たちがクモの模倣に失敗したのではなく、自然の偉業の中には模倣するためのものではないものがあることを、私たちはゆっくりと、高価な費用をかけて、繰り返し学んだのだ。それは、進化と工学はまったく異なるルールで、まったく異なる目標のために最適化された、まったく異なるゲームをしているのだということを教えてくれるものなのだ。.

クモは利益率やベンチャーキャピタルのスケジュール、キログラムあたりのコストなど気にしない。ただ次の獲物を捕まえればいいのだ。.

私たちはその繊維で世界を変えたかった。クモはただ夕食が欲しかっただけだ。.

技術的な課題以上にこのミスマッチが、夢のファイバーが夢のままであり続ける理由なのだ。.

自然の傑作：クモの糸を特別なものにしているもの

クモの糸の束を電子顕微鏡で見ると、一見何の変哲もない、5ミクロンほどの滑らかで均一な円柱が見えるだろう。分子レベルまで近づけると、材料科学者が通常大聖堂や交響曲のために使う言葉で表現されるような、エレガントで精密、完璧なオーケストラのようなものが見えてくる。.

タンパク質と水だけを使い、室温で、3秒で強靭で弾力性のある素材を作る方法である。.

秘密は食材にあるのではない。建築にある。.

機能していないはずの分子設計図

まずは基本から。クモの糸はタンパク質の一種で、具体的にはスピドロインと呼ばれるタンパク質の一群である。高校で生物を習ったことがある人なら、タンパク質はアミノ酸の長い鎖でできていて、特定の形に折りたたまれている、と覚えているかもしれない。ヘモグロビンは酸素を運搬する。インスリンは血糖値を調整する。酵素は反応を触媒する。.

クモの糸のタンパク質は違うことをする。構造を形成するのだ。.

ここからが面白いところだ。腱のコラーゲンや髪のケラチンなど、自然界に存在するほとんどの構造タンパク質は、比較的単純な反復鎖である。十分な分子を詰め込めば、強いものができる。.

スピドロインは違う。まるでレゴブロックのようにモジュール化されており、根本的に異なる機能を果たす明確なセクションがある。ある部分はアミノ酸のアラニンを多く含み、結晶性のシートを形成するように配列されている。一方、グリシンを多く含む部分は、柔軟性を保つためにゆるいアモルファス領域を形成する。.

これはランダムではない。意図的な分子構造なのだ。.

アラニンに富んだブロックは、化学者がベータシートと呼ぶ平らな層状構造に折りたたまれる。この結晶領域は強く硬い。これが繊維の骨格となり、引っ張り強度を生み出している。.

グリシンに富んだブロックはその逆である。グリシンが豊富なブロックは逆に緩く乱れた状態を保ち、伸縮や変形が可能なアモルファス領域を形成する。これらは繊維のショックアブソーバーであり、弾力性とエネルギー吸収性を提供する。.

どちらの構造も、単体では特別なものではない。結晶性タンパク質は強いが脆い。非晶質タンパク質は柔軟だが弱く、永久に変形し続ける。しかし、両者を同じ分子鎖に沿って正確な比率で、正確な間隔で組み合わせると、驚くべきことが起こる。.

ゴムのように伸び、鋼鉄のように保持できる素材が手に入る。.

それを機能させるヒエラルキー

しかし、魔法は分子レベルにとどまらない。スパイダーシルクの秘密は、それが階層的に組織化されていることである。.

ナノメートルスケールでは、個々のスピドロイン分子は互いに平行に並び、その結晶領域は、より柔らかいアモルファスマトリックスに埋め込まれた小さな硬いドメインを形成している。コンクリート中の鉄筋のようなもので、鉄筋とコンクリートは同じ分子からできているが、折りたたみ方が違うだけである。.

これらの整列した分子が束になり、ナノフィブリル（約100ナノメートルのタンパク質ケーブル）になる。ナノフィブリルは撚り合わされ、フィブリルとなる。フィブリルは最終的な繊維へと整列する。.

どのレベルにおいても、配列は非常に重要です。もし分子が無秩序に混ざり合っていたら、繊維は強度のほとんどを失い、結晶領域が荷重を分担できず、構造全体が応力でばらばらになってしまう。クモは、液体タンパク質が回転するダクトの中をどのように流れるかを制御することで、ほぼ完璧な整列を達成している。.

ここで人間の製造業は最初の大きな壁にぶつかる。我々はタンパク質を作ることができる。正しく折り畳むこともできる。しかし、何百万ものタンパク質分子が液体から固体に変化する際に、完璧に整列させることはできない。.

クモはこれを髪の毛より細いダクトの中で、約3秒で、欠陥ゼロで、1日に何千回も行う。.

私たちは30年間、それを再現しようとしてきた。.

なぜシルクによって仕事が違うのか

1匹のクモは最大7種類のシルクを作り、それぞれが特定の機能に最適化されている。あなたの庭にいるオーブ・ウィーバーは、ただ1つの素材を紡いでいるのではなく、素材工場を運営しているのだ。.

ウェブの構造フレーム（粘着性のない放射状の糸と外側のサポートライン）は、ドラッグラインシルクとも呼ばれるメジャーアンプルシルクでできている。これは誰もが研究する “奇跡の繊維 ”だ。強く、丈夫で、比較的硬い。クモはこの糸を、一本の糸に命を託し、地表から落下する際の安全糸として使用する。.

実際に昆虫を捕らえる粘着性の捕獲スパイラル？それは粘性のあるシルクで、さまざまな腺から作られている。ドラグラインに比べると弱く、指で簡単に折ってしまうことができるが、驚くほど伸縮性があり、粘着性のある糖タンパク質の液滴でコーティングされている。その仕事は昆虫を捕らえることではなく、クモが到着するまでの十分な時間、昆虫を閉じ込めることなのだ。.

卵嚢は円筒形のシルクに包まれる。シルクは丈夫だが柔軟性があり、卵をつぶすことなく保護するのに最適なシルクだ。クモが獲物を包むときは、アシナシルクを使う。アシナシルクは大量に生産され、自分自身と結合しやすい。.

それぞれのシルクは異なるタンパク質組成、異なる結晶対非晶質比、異なる機械的特性を持っている。クモはひとつのスーパーマテリアルを作るのではない。それぞれのタスクに完璧にマッチした、特殊な素材のツールキットを作っているのだ。.

業界がドラッグラインシルクに注目した理由は簡単です。ゴルディロックスのような繊維で、構造用途には十分な強度を持ち、エネルギー吸収には十分な強靭さを持ち、衝撃には十分な弾力性を発揮する。防弾チョッキや高性能繊維、航空宇宙部品に最も近い天然素材なのだ。.

しかしこのドラッグラインへのこだわりは、産業界への偏見も露呈している。ケブラー、ナイロン、カーボンファイバーに代わる万能の素材だ。自然のアプローチは違う。特殊な仕事のための特殊な素材を、オンデマンドで微量生産することだ。.

私たちは商品を求めた。自然は私たちにブティックを与えてくれた。.

タフネス」とは何か

ここで一旦立ち止まり、何がクモの糸を純粋に特別なものにしているのか、具体的に説明する必要がある。.

材料科学では、3つの重要だが異なる特性がある：

強さ とは、材料が破断するまでに耐えられる力のことである。スチール・ケーブルが切れるまで引っ張ると、その引張強さが求められる。.

硬さ とは、素材がどれだけ変形しにくいかということである。木の板を押さえるのとフォームのクッションを押さえるのでは、木の方がほとんど曲がらないので硬い。.

タフネス とは、材料が破損する前に吸収できるエネルギー量のことである。この特性は、防護服や衝突時の保護、飛んでくる虫の捕獲などに重要な意味を持つ。この特性は、応力-ひずみ曲線の下での面積で測定される。基本的には、何かを壊すためにどれだけの仕事をしなければならないかということだ。.

スパイダーシルクの真のスーパーパワーは強靭さだ。.

ケブラーの引張強度は絶対値でクモの糸より高く、クモの糸の1.0～1.5GPaに対して約3.0～3.6GPa。鋼鉄はより硬い。しかし、どちらもクモの糸のエネルギー吸収能力にはかなわない。ケブラーの強靭さは1立方メートルあたり30～50メガジュール。ダーウィンの樹皮クモの最も丈夫なクモの糸は、ケブラーの10倍以上の350～520 MJ/m³に達する。.

ケブラーに力が加わると、生地は織物全体に衝撃を分散させることで衝撃を止めるが、ケブラー繊維自体は破断によって破損する。繊維は引張過負荷と繊維の引き抜きの組み合わせによって破断する。繊維が破断すると、ベストの性能は損なわれ、着用者は依然として大きな鈍的外傷を吸収することになる。.

クモの糸は、中程度の衝撃速度であれば、理論的には異なる働きをする。クモの糸は強度と高い伸張性を兼ね備えているため（長さの40%まで伸張可能）、粉々になるのではなく、変形することで衝撃エネルギーを吸収する。結晶領域が強度を発揮し、完全な破壊を防ぐ。アモルファス領域は、分子バネのように伸びてエネルギーを発散します。.

分子レベルでは、これは犠牲結合と呼ばれるメカニズムによって起こる。タンパク質構造を支えている水素結合は、ひとつひとつは比較的弱い。しかし、水素結合は何百万個もあり、一度にすべて壊れることはない。その代わり、水素結合は順次切断され、それぞれが微量のエネルギーを吸収する。タンパク質鎖は、風船が破裂するのではなく、注意深く展開されたエアバッグのように、制御された方法で展開する。.

クモの糸が壊れることなくハチを止めることができるのはこのためだ。シルクが伸びることで、ハチの運動エネルギーをより長い時間と距離にわたって吸収し、そのエネルギーを構造破壊ではなく分子の変形に変換する。網は跳ね返る。絹は保持する。.

それからが驚くべき点で、シルクは回復する。アモルファス領域は再び折り畳まれる。水素結合が再形成される。繊維はほぼ元の長さに戻り、次の衝撃に備える。.

ケブラーにはこれができない。一度繊維がダメになれば、永久に壊れてしまう。.

高強度、高伸度、高回復力というこの組み合わせは、材料科学者がクモの糸が性能のエンベロープでユニークな空間を占めていると言うときの意味である。クモの糸は生物学的素材としては単に丈夫なだけではありません。天然素材であれ合成素材であれ、私たちが設計したほとんどすべての素材よりも丈夫なのです。.

もちろん問題は、その素材を製造できなければ、強靭さは売りにならないということだ。そして、スパイダーが達成した品質（結晶とアモルファスの構造、完璧なアライメント、構造と柔軟性の正確な比率）で製造することは、依然として未解決の課題である。.

何がそれを機能させているのかはわかっている。顕微鏡で観察し、X線回折で測定し、計算化学でモデル化する。私たちは、クモの糸がなぜこれほどまでに驚くべきものなのかを、精緻な細部にわたって説明した論文を何千本も発表してきた。.

どうしても間に合わないんだ。.

クモは巣の中で、私たちが非常に詳細に説明することはできても、再現することはできない素材を作り出し、進化が4億年をかけて完成させた製造能力を示している。.

この理解と実行のギャップこそが、この物語の残りの部分なのだ。というのも、クモの糸を特別なものにしているのは何かを知ることと、それを自分で作る方法を知ることとはまったく違うことがわかったからだ。.

クモの設計図は完璧だ。それに従う私たちの能力はそうではない。.

最初の波大胆な約束と失敗した近道（1990年代～2000年代）

1989年、ランディ・ルイスという分子生物学者が、当時は純粋なSFのように思えたことをしていた。ヤギにクモの糸を作らせようとしていたのだ。.

クモの糸を紡ぐのは後回しだ。まず原料が必要だった。クモが繊維に変える前に腹の中で生成する液体タンパク質だ。彼の論理は非の打ち所がない。クモは共食いするため、養殖は不可能だ。しかしヤギは違う。ヤギはおとなしく、生産性が高く、何千年にもわたる農業品種改良によって、すでにミルクに大量のタンパク質を生産するように最適化されている。.

クモの糸遺伝子をヤギのゲノムに挿入し、乳腺に標的を定め、自然界に存在する酪農インフラに仕事をさせるだけでよかったのだ。.

ヤギがクモの糸タンパク質を含むミルクを実際に生産したとき、このニュースは爆発的に広まった。これは漸進的な進歩ではなかった。ある種の遺伝コードを書き換えて別の種の能力を与えるという、バイオテクノロジーが最も大胆な約束を果たしたのだ。.

メディアの扱いは予想通り息を呑むものだった。「クモヤギが鋼鉄の網を紡ぐ」とある見出しが発表された。「ヤギから防弾チョッキ」と別の見出しが躍った。防衛関連企業から電話があった。繊維メーカーからは問い合わせがあった。ベンチャーキャピタリストたちは計算を始めた。1匹のヤギが1日にXリットルのミルクを出し、そのミルクにYパーセントのシルクタンパク質が含まれているとすると、Z匹のヤギの群れが生産できるのは...。

数学は信じられないように見えた。現実は複雑だった。.

遺伝子は難しい部分のはずだった

1990年代初頭の楽観主義を理解するには、その時点のバイオテクノロジーの状況を理解する必要がある。ヒトゲノム計画は進行中だった。遺伝子工学は、理論上の可能性から実用的なツールへと移行しつつあった。研究者たちはヒト・インスリンをバクテリアで発現させることに成功し、以前はブタの膵臓を採取しなければならなかった救命薬の再生可能な供給源を作り出した。.

パラダイムはシンプルで魅惑的だった：DNAは取扱説明書である。説明書を読むことができれば、それをコピーすることができる。コピーできれば、それを新しい生物に貼り付けて “実行 ”ボタンを押すことができる。”

クモの糸は完璧なテストケースに思えた。シルクの遺伝子は、前章で説明したモジュラー・タンパク構造をコードする、よく特徴付けられた長い反復配列であった。これらの遺伝子をバクテリア、酵母、哺乳類に導入することは、すでに確立された技術であった。生物は生きた工場となり、通常の代謝だけでクモの糸タンパク質を生産するのだ。.

遺伝子工学という難題は解決した。遺伝子工学という難しい部分を解決したのだ。.

その仮定は致命的に間違っていた。.

シルク工場の数々

ヤギは始まりに過ぎなかった。その後15年間、研究者たちはクモの糸生産にバイオテクノロジーの全ツールを投入し、ますます奇妙な生物の群れを作り出した。.

トランスジェニック・ヤギ, ネクシア・バイオテクノロジーズ社によって開発され、後にユタ州立大学のランディ・ルイス氏によって継続されたこの酪農は、主要な取り組みであった。その利点は明らかだった。大型の動物が毎日何リットルものタンパク質を豊富に含むミルクを生産し、既存の酪農インフラを使って収集と処理を行うことだ。クモの糸タンパク質はミルクに溶けており、それを抽出して精製し、紡いで繊維にするだけでいい。.

完全に理解するまでには何年もかかったが、問題は同じように明らかだった。まず、牛乳は何百ものタンパク質、脂肪、糖分を含む複雑な生物学的スープである。たとえ1リットルあたり数グラムの濃度であっても、特定のタンパク質を分離するには、高価なクロマトグラフィーとろ過が必要だった。第二に、ヤギは維持費がかかる。土地、飼料、獣医の世話が必要で、生産的に成熟するまでに約2年かかる。第三に、それぞれのヤギが生産するシルクタンパク質の濃度は、遺伝、食事、泌乳サイクルによってわずかに異なります。産業の聖杯である一貫性を保つことは不可能に近い。.

そして4つ目は、おそらく最も非難されるべきことだろう。数百頭のヤギ。商業的な生産量を確保するには、数千頭規模になる。クモヤギのロマンティシズムは、工業的酪農のロジスティクスに直面すると、すぐに消え去ってしまった。.

バクテリアはより実用的だったが、それなりの呪いがあった。. 大腸菌 は1970年代からバイオテクノロジーの主力製品であり、安価で成長が早く、遺伝子操作が容易である。バクテリアにクモの糸タンパク質を作らせるのは簡単だった。しかし、有用なクモの糸タンパク質を生産させることは容易ではなかった。.

問題は封入体だった。細菌が外来タンパク質、特にスピドロインのような大きくて複雑なタンパク質を大量に生産しようとすると、しばしば圧倒されてしまう。タンパク質は折り畳みを誤り、凝集して細胞内で高密度で不溶性の塊となる。この封入体は何の役にも立たない。タンパク質は間違った形をしており、溶解することができず、紡糸することもできない。.

研究者たちは細胞を破り、過酷な化学薬品と高熱を使って封入体を取り出し、それからタンパク質を正しい構造にリフォールディングしようとした。うまくいくこともあった。うまくいくこともあれば、うまくいかないこともある。うまくいったとしても、そのプロセスは非常にエネルギー集約的で高価なものであり、そもそもバクテリアを使うことによるコスト的な利点は全くなかった。.

その結果、バクテリアは量を生産することはできても、質を生産することはできなかった。.

酵母 は中道を提案した。. ピキア・パストリス 真核生物である酵母は、複雑なタンパク質を正しく折り畳むための細胞区画やシャペロンタンパク質を備えている。酵母は真核生物であり、複雑なタンパク質を正しく折り畳むための細胞区画やシャペロンタンパク質を備えている。酵母は、ビールや工業用酵素の製造に使用されるのと同じ基本的なプロセスである、確立された発酵技術を用いて、巨大なバイオリアクターで培養することができる。.

いくつかの企業は酵母に大きな賭けをした。ボルトスレッド社、日本のスパイバー社などが、1リットルあたりグラム単位の収量でスピドロインを生産できる独自の菌株を開発した。これは真の進歩だった。タンパク質は可溶性で、適切に折り畳まれ、経済的に興味深いほど高濃度で得られた。.

しかし、「経済的に興味深い」というのは、危険なほど低いハードルであることが判明した。酵母を育てるには、大量の糖分が必要だ。工業的発酵には、温度管理、無菌状態、絶え間ない撹拌が必要である。これらすべてにエネルギーが必要だ。発酵後も、酵母細胞と増殖培地からタンパク質を分離し、紡糸に必要な高密度まで濃縮する必要がある。.

企業が完全なコスト計算を行ったところ、その数字は厳しいものだった。細菌発酵の初期の見積もりでは、使用可能なシルクタンパク質1キログラム当たり$35,000～50,000のコストが示唆されました。より楽観的な学術的予測では、スケールアップした酵母システムでは、パイロットスケールで1キログラムあたり$300-3,000、完全な工業規模では1キログラムあたり$40-100の理論コストが可能であると示唆されました。これは繊維に紡糸する前の話である。.

ちなみに、ナイロン1キログラムの価格は約$2である。最も高価な性能繊維のひとつであるケブラーは、織る準備が整った完成繊維として1キログラムあたり約$80です。.

トランスジェニックカイコ 蚕はすでに絹を生産している。蚕はすでに絹を大量に、確実に、何千年もかけて生産している。養蚕産業が存在し、蚕を育て、繭を収穫し、繊維を取り出すためのインフラが確立されていた。もし蚕に本来の絹ではなくクモの糸を作らせることができれば、即座に産業が生まれるだろう。.

ノートルダム大学、ワイオミング大学、そして中国と日本の研究者たちは皆、このアプローチを追求した。その結果、クモの糸タンパク質を含むシルクを、純粋なシルクか、クモ本来のシルクとブレンドしたシルクのどちらかで生産するトランスジェニックカイコの作製に成功した。.

良いニュース：うまくいった。ミミズは人工タンパク質を含む繭を紡いだ。悪いニュースは、出来上がった繊維にばらつきがあったことだ。クモの糸のタンパク質が正しく組み込まれることもあれば、組み込まれないこともあった。そうでないこともあった。その繊維は純粋なカイコシルクよりも弱いことが多く、クモの糸を特別なものにしている卓越した強靭さはなかった。.

さらに根本的な問題があった。蚕は繭を数日間かけて1本の連続した繊維に紡ぐが、その紡績工程はクモとはまったく異なるものだったのだ。クモの正確な化学的、機械的な振り付けを再現することができなかったのだ。タンパク質は正しいが、工程が間違っていたのだ。.

植物と藻類 絶望のフロンティアを象徴していた。クモの糸タンパク質を生産するためにタバコやアルファルファ、さらにはジャガイモの植物を操作した研究者もいた。また、光合成生物が持続可能で低コストの生産プラットフォームを提供するかもしれないと考え、藻類を試みた研究者もいた。.

こうした努力は論文や特許を生み出したが、それ以外はほとんどなかった。タンパク質の収率は極めて低かった。植物にはクモの糸タンパク質を適切に折り畳むための細胞機構がなく、植物組織からタンパク質を抽出するのは困難で高価なことで知られている。藻類はさらに悪い結果となった。.

実際に機能したこと、そしてそれが意味すること

2000年代半ばまでに、クモの糸企業の第一波は、クモ以外の生物でクモの糸タンパク質を生産することに成功し、その規模は1週間あたりミリグラムではなく、1年あたりキログラムとなった。.

これは何もなかったわけではない。15年前、クモの糸タンパク質を得る唯一の方法は、クモから解剖することだった。それが今では、バイオリアクターで育てることができる。.

タンパク質の生産は始まりに過ぎなかったのだ。つまり、タンパク質を生産することは始まりに過ぎなかったのである。本当の問題は、さらに20年と何億ドルもの資金を費やすことになる問題である。.

タンパク質は濃縮された溶液として存在し、「シルクドープ」と呼ばれることもある。クモの体内では、このドープは主要な絹糸腺にあり、紡績ダクトの正確な化学的・機械的操作のシーケンスによって繊維に変化するのを待っている。.

工場では、ドープがタンクや容器に保管され、研究者たちはそれを見つめ、実際に機能する繊維に変える方法を見つけ出そうとしていた。.

タンパク質溶液を小さなノズルから押し出し、時にはメタノールやアセトンの凝固浴に、時には空気中に押し出す。これらの方法はナイロンやポリエステル、さらにはケブラーにも有効だった。.

彼らはクモの糸を破壊した。.

出来上がった繊維は弱く、もろく、天然のクモの糸とは似ても似つかないものだった。電子顕微鏡で見ると、タンパク質分子はごちゃごちゃして整列が悪く、クモの糸の特性である組織化された構造ではなく、結晶領域と非結晶領域がランダムに形成されていた。.

工業的な押し出しは、あまりにも速く、乱流で、暴力的だった。タンパク質が凝固する前に整列する時間がなかった。重要なベータシート結晶がうまく形成されなかったのだ。その繊維は顕微鏡で見るとクモの糸のように見えたが、テストでは平凡なナイロンのようだった。.

いくつかの企業が “クモの糸繊維 ”を生産したと発表した。技術的にはそのとおりで、クモの糸のタンパク質から作られた繊維だった。しかし、意味のある意味でのクモの糸ではなかった。機械的特性がなかったのだ。.

まるで、ストラディバリウスのヴァイオリンの材料をすべて合成してウクレレにしたようなものだ。そう、どちらも木でできた弦楽器だ。いや、同じ音は出ない。.

ピボット、沈黙、そしてシャットダウン

2009年までに、最初の波は終わりを告げた。クモ糸の会社として最も注目を集めたネクシア・バイオテクノロジーズは、ひっそりと倒産した。クモヤギの群れを含む資産はカナダの企業に売却された。ヤギは最終的にユタ州立大学に寄贈され、ランディ・ルイスはそこで研究を続けた。.

遺伝子組み換えカイコを研究するクレイグ・バイオクラフト・ラボラトリーズは、軍事用途から医療機器、パフォーマンス・テキスタイルへと何度も方向転換を繰り返した。一時はバイオテクノロジーのハイプウェーブに乗った同社の株価は、ペニー株の領域に落ち着いた。.

他の企業はよりソフトに撤退した。防弾チョッキの話をやめて、創傷被覆材の話を始めたのだ。繊維産業の破壊を約束するのをやめ、高いマージンと少量生産で高コストを正当化できるニッチな医療用途をターゲットにし始めたのだ。.

単に資金が尽きて、プレスリリースも説明もなく閉鎖したところもある。ウェブサイトは闇に葬られた。特許が切れたり、売却されたりした。研究者は他のプロジェクトに移った。.

振り返ってみて驚くのは、こうした失敗に伴うドラマがいかに少なかったかということだ。目を見張るような倒産も、調査報道による暴露も、世間による清算もなかった。企業はただ...消え去った。プレスリリースの頻度は減った。タイムラインは静かに延長された。“2005年に商業生産 ”は “2008年 ”となり、“条件が許せば ”となった。”

インフラは残った。知識も残っていた。タンパク質生産技術は、少しずつ改善され続けた。酵母株は改良された。精製法はより効率的になった。コストは下がったが、それは十分なスピードではなかった。.

しかし、クモの糸がケブラーに取って代わる画期的な素材となり、防護服を刷新し、バイオベースの新素材産業を立ち上げるという当初の約束は、それにキャリアと資本を賭けた研究者や投資家以外には悼まれることなく、ひっそりと消えていった。.

遅すぎた教訓

最初の波が失敗したのは、その難しさがどこにあるのかという根本的な誤解に基づいていたからだ。.

遺伝子工学は決してボトルネックではなかった。確かに技術的には難しかったが、既存のツールで解決可能だった。生物に遺伝子を挿入し、発現を最適化し、発酵をスケールアップさせる-これは既知の領域であり、教科書や商業的実践の対象だった。.

ボトルネックは常に液体から固体への変化だった。紡糸だ。クモの腹部の中で3秒間に起こるこのプロセスは、最初のクモの糸タンパク質を生産してから20年経った今でも、素材の優れた特性を維持しながら工業的規模で再現することはできない。.

最初の波は、クモの功績はタンパク質であり、進化の最高傑作は分子構造であるとした。従って、タンパク質さえ手に入れば、難しいことは終わったのである。.

彼らは間違っていた。進化の傑作はタンパク質ではなかった。それは紡糸口金であり、マイクロ流体制御と入念に調整された化学反応だけを用いて、タンパク質を取り込み、ほぼ完璧な効率と欠陥ゼロで繊維に変換する生物学的機械である。.

我々はレシピをコピーした。我々はキッチンをコピーすることに失敗した。クモの糸製造では、キッチンがすべてなのだ。.

この気づきが、第二の試みにつながっていく。クモの糸を作るのがそんなに難しいなら、クモを養殖すればいいじゃないか」。

その答えは、どんなに巧妙なアプローチであっても、最終的に同じ残酷な壁に突き当たる理由を説明するものだ。.

クモの養殖ができない理由

どのプレゼンテーションでも、どのピッチミーティングでも、クモの糸についての何気ない会話でも、この質問は出てくる。たいてい5分もすると、誰かが手を挙げる。.

“「蚕を養殖して普通の絹を作ることができるのなら、クモを養殖することはできないのか？”

至極もっともな疑問である。クモの糸産業全体が、なぜ現在のようないびつな形で存在しているのかを説明する質問でもある。クモの養殖ができれば、遺伝子操作もバイオテクノロジーも、何億ドルもの研究プログラムも必要なくなるからだ。クモの養殖場を作るだけだ。.

人々は試してきた。何世紀にもわたってね。決してうまくいかない。そして、うまくいかない理由は、クモの糸を商業的に生産しようとする、その後のすべての試みを形作った制約について、根本的な何かを明らかにしている。.

失敗し続ける実験

1709年、フランソワ・ザビエル・ボン・ド・サンティレールというフランスの博物学者が、世界初のクモの糸産業を興そうとした。彼は庭のクモを集め、額縁に入れ、その絹を採取して織物（特に手袋とストッキング）を作ろうと試み、フランス科学アカデミーに提出した。.

実験は技術的には成功した。手袋は存在した。クモの糸から作られていたのだ。アカデミーは感動した。.

この実験は経済的に破滅的だった。クモたちは戦った。互いに殺しあった。安定して絹を生産しようとしなかった。サン・ヒレールの計算によると、一着の衣服に十分な絹を生産するには、何百匹ものクモと数え切れないほどの手間暇が必要だった。そのコストは馬鹿にならなかった。プロジェクトは失敗に終わった。.

それから300年後、アメリカ自然史博物館の研究者たちが再び挑戦した。2009年から2012年にかけて、マダガスカルの研究チームは100万匹以上のゴールデンオーブスパイダー(ネフィラヴィクトリア・アンド・アルバート博物館に展示されている黄金のマントである。.

テキスタイルは見事だった。プロセスは悪夢のようだった。.

作業員たちは毎朝、野生のクモを集めた。それぞれのクモは小さな枠につながれ、手作業で絹を紡錘から取り出した。それぞれのクモは約25メートルの絹を作り、翌日捕獲して野生に戻した。.

1オンスの絹を作るのに2万3千匹のクモを使う。ひとつの織物を作るのに4年。マントの完成には100万匹以上のクモが必要だった。.

それは、人間の執念とクモの生産性の証であり、珍品として博物館に飾られている。また、クモの養殖が商業的に不可能であることの証明としても飾られている。.

モデルを壊す生物学

その理由は不思議なことではない。クモは捕食者であり、捕食者は農作業が苦手だからだ。.

蚕は草食動物で、具体的には桑の葉を食べる。倉庫に積み上げられたトレイに何千匹もの蚕を詰め込み、安い葉を与えれば、繭を紡ぐまで平和に共存できる。蚕が家畜化されて約5000年。現在では絹の生産に特化しているため ボンビックス・モリ, 家畜であるカイコは、野生ではかろうじて生き延びることができる。それは無脊椎動物の乳牛のようなもので、おとなしく、生産的で、人間の利用に徹底的に最適化されている。.

クモはこんなものじゃない。.

絹の生産に関心のあるクモのほとんどは、オーブ織りのようなクモである。 ネフィラ そして アルギオペ-は孤独なハンターだ。縄張り意識が強い。彼らの進化戦略全体は、巣状の土地を守り、そこに近づくものを食べることで成り立っている。.

2匹のクモを近づけると、彼らは協力しない。彼らは戦う。大きい方が小さい方を食べるのが普通だ。.

これはたまに起こる攻撃性ではない。ケージの設計を改善したり、注意深く管理することで解決できる問題ではない。何百万年もかけて進化してきた基本的な行動なのだ。メスのクモは交尾の最中でもオスを食べることがあり、性共食いは種によっては既定路線となっているほど一般的だ。何百匹ものクモを囲いの中で平和に暮らすように説得できるという考えは、生物学的にはありえない。.

理論的には、クモを一匹ずつ飼育することもできる。しかし、これでは農業ではなく、動物園を経営しているようなものだ。人件費とインフラコストはクモの数に比例する。規模の経済もなければ、規模による効率化もない。.

また、蚕は一度大きな繭を作ったら死んでしまうため、大量に収穫することができるが、クモは少量ずつ継続的にシルクを作り出す。蜘蛛が紡ぐ絹糸は粘着性があり、複数の種類の絹糸が混ざっています。あなたが欲しいドラッグラインシルクは少数派の成分です。.

唯一の実用的な方法は手作業による抽出で、マダガスカルでは人間がクモを拘束して絹を紡錘から引き抜く「シルキング」作業が行われている。時間がかかり、労働集約的で、クモにストレスを与え、将来のシルク生産を減少させる。.

うまくいかない数学

工業的クモの養殖に実際に必要なコストを計算してみよう。.

生産性 ネフィラ 手作業で収穫し、クモを注意深く扱えば、1日に50～100メートルのドラッグラインシルクが採れるかもしれない。ドラッグラインシルクの直径は約5ミクロン。100メートルの重さはおよそ10ミリグラム。.

10ミリグラム。クモ1匹につき。一日あたり。.

工業用繊維はトン単位で販売される。1トンは100万グラムである。年間1トンのクモの糸を養殖で生産するには、採集効率が完璧でロスがないと仮定して、最低でも毎日27万匹のクモが絹を生産する必要がある。.

実際には、死亡率、ストレス、季節変動、毎日収穫することの不可能性を考慮すると、常時100万匹のクモが生産活動をしている必要がある。.

個別の囲い（クモは共有できない）、餌付け（各クモは生きた昆虫を必要とする）、廃棄物管理、空調管理、毎日100万匹のクモから手作業で絹を収穫する人件費などだ。.

これを養蚕と比較してみよう。現代の養蚕農家は、季節労働と大量収穫を利用して、ひとつの倉庫から何トンものシルクを生産している。蚕は個別に飼育する必要がなく、互いに共食いすることもなく、収穫可能な便利な繭で自動的にシルクを生産する。.

あるいは、合成繊維の生産と比較してみよう。ひとつのナイロン生産工場が、完全自動化された工程で年間数千トンを生産している。給餌なし。廃棄物管理なし。個々の動物の世話もない。.

クモの養殖はスケールしない。規模を拡大することはできない。生物学的に不可能なのです。.

すべてを変えた決断

この生物学的な行き詰まりが、クモの糸産業全体があのような道をたどった理由である。クモを養殖することはできないので、シルクタンパク質の代替供給源が必要になります。つまり、バイオテクノロジーです。他の生物を工学的に操作して、タンパク質を生産してもらうのです。.

クモを使わないのであれば、クモの紡糸口も使わないということだ。タンパク質を生産するだけでなく、そのタンパク質を繊維に変換するまったく新しいプロセスを発明する必要があるのだ。.

クモの絹生産は統合された生物学的システムである。タンパク質の組成、腺の化学的環境、紡糸ダクトの機械的せん断力、pH変化とイオン交換の正確なタイミング、これらすべてがマッチしたセットとして一緒に進化してきた。一部分だけを取り出して、それが独立して機能することを期待することはできない。.

研究者たちがクモの養殖をやめて遺伝子組み換えを選んだとき、彼らは暗黙のうちに1つではなく2つの問題を解決することを選んだ：

1.クモ以外の生物でタンパク質を生産する。

2.クモのプロセスを再現できる人工紡糸口を作る。

最初の波は、#1が難しい問題だと考えていた。彼らは間違っていた。問題#1は、期待以上のコストはかかるものの、既存のバイオテクノロジーで解決可能であることが判明した。.

問題#2（スピニング）は、非常に、予想外に、執拗に難しいことが判明した。そのため、20年経った今でも工業的規模では未解決のままである。.

なぜクモの糸が重要なのか

クモの養殖の不可能性は、単なる生物学的好奇心ではない。クモの養殖が不可能であることは、単なる生物学的好奇心ではない。だからこそ、クモの糸は農業の話ではなく、バイオテクノロジーの話になったのだ。何億ドルもの資金が、クモの飼育ではなく、発酵タンクや遺伝子工学に投入されたのもそのためである。.

蚕との比較、つまりクモの糸の養殖をもっともらしく聞こえるようにする比較が、根本的に誤解を招くのはそのためだ。カイコはクモよりも養殖が簡単なだけではない。家畜化され、協力的で、何千年もかけて人間の利用に最適化された、まったく別のカテゴリーの生物なのだ。.

クモは野生だ。捕食者である。人間の農業を予想しなかった進化の産物だ。そして、人間の経済的ニーズに協力することを、絶対に、完全に拒否する。.

この拒否がすべてを形作った。遺伝子工学の道を選んだのは、それが優れていたからではない。そしてひとたびその選択がなされると、産業界は素材だけでなく、進化が4億年をかけて完成させた生物学的製造プロセス全体を複製しようとしていることに気づいたのである。.

我々は動物を養殖することができなかったので、タンパク質を養殖しようとした。そして成功した。そして、タンパク質を確保することが問題の半分に過ぎないことを発見した。.

蜘蛛の巣の中にいる蜘蛛は、私たちが再現することも養殖することもできない生物学的機械であり、私たちが切実に欲していながら経済的に収穫することのできない素材を生産している。その不可能性が産業を興した。それはまた、多くの意味で、この産業が30年もの間、その約束を果たすことができなかった理由でもある。.

クモを養殖することはできない。だから私たちはクモになろうとした。そして、それはさらに難しいことがわかった。.

技術的ボトルネックの核心：タンパク質ではなくスピニング

研究者が濃縮シルク・タンパク質溶液の入った小瓶を手に取り、25万ドル相当の遺伝子組み換え物質を見つめていることに気づく瞬間がある。.

タンパク質は完璧。発酵はうまくいった。精製も成功した。分子構造は正しく、ベータシート、アモルファス領域、すべてが自然が設計した配列に整列している。重量で30-40%のシルクタンパク質を含む溶液がおそらく100ミリリットルある。100匹のクモが1年間に生産する絹タンパク質よりも多い。.

しかも、高価なスープかもしれない。.

というのも、次の段階、つまりクモの糸を実際に特別な性質にする繊維に液体を変換する段階は、30年にわたる研究と何億もの資金提供の後でも、ほとんどすべての商業的クモの糸ベンチャーを死に追いやった未解決の問題のままだからだ。.

ここから話が専門的になる。ここがまた重要なところでもある。なぜスピニングがこれほど難しいのかを理解することで、他のあらゆる次元で進歩が続いているにもかかわらず、なぜ業界全体が30年間もニュートラルな状態から抜け出せないのかが説明できるからだ。.

プロテインがボトルネックにならなかった理由

2010年までに、複数の研究グループや企業がキログラム単位でクモの糸タンパク質を生産できるようになった。ボルトスレッド社は独自の酵母株を持っていた。日本のスパイバーは独自の発酵技術を持っていた。ユタ州立大学やケンブリッジ大学などの学術研究所は、グラム単位の生産を実証していた。.

パイロット・スケールで1kgあたり$300から$3,000以上、完全な工業スケールでは理論上1kgあたり$40から100と予測されている。しかし、技術が存在し、再現可能であり、着実に改善されているという意味では解決済みであった。毎年、より高い収率、より優れた折り畳み、より効率的な精製がもたらされた。.

もしタンパク質の生産だけが課題なら、クモの糸は今頃ニッチな素材になっていただろう。ある種の特殊ポリマーや医薬品原料のように、高価だが入手可能な素材だ。.

しかし、タンパク質を摂るということは、スタートラインに立ったということだ。レースは繊維を作ろうとするところから始まる。.

液体シルク・タンパク質の実態はこうだ。高濃度の水溶液で、巨大な反復タンパク質が微妙な化学バランスで懸濁している。タンパク質は折り畳まれてはいるが、まだ最終的な繊維構造には組み立てられていない。タンパク質は可溶性で、水分子に取り囲まれ、凝集して溶液から流れ出ないように十分な分離を保っている。.

クモの主要な絹糸腺では、この “絹糸ドープ ”は30-50%タンパク質の濃度で保管されている。絹糸は、特定のpH、特定のイオン濃度、特定の温度など、注意深く制御された化学環境に保存されている。これらのパラメータのどれかを変えれば、タンパク質は早期に凝集し始める。これを誤ると、高価な溶液が高価なカッテージチーズになってしまう。.

クモは紡ぐ準備ができるまでドープを安定させておく。そしておよそ3秒で、液体をほぼ完璧な分子配列と卓越した機械的特性を持つ固形繊維に変化させる。.

私たちは1990年代からその方法を見つけ出そうとしてきた。今も試行錯誤を続けている。.

再現不可能な分子コレオグラフィー

クモの紡績工程は、長さ約5ミリ、幅約半分のダクトに凝縮された化学工学と機械工学の傑作である。そのダクトの内部で起こっていることは、エレガントであると同時に残酷なほど複雑である。.

第1段階：集中. .シルクドープは高濃度で紡糸ダクトに入るが、まだ液体を保つのに十分な水分を含んでいる。ダクトの初期セクションを流れるにつれて、水はダクト壁を通して積極的に再吸収される。タンパク質濃度はさらに上昇し、タンパク質同士はより接近する。.

第2段階：酸性化. .pHは腺内の約7.6からダクト内の約6.3まで急激に低下する。これはランダムではない。シルクのタンパク質にはpHの変化に反応する特定のアミノ酸がある。pHが高いと、アミノ酸は静電的に反発し合う。pHが下がると、その反発力は弱まる。タンパク質は結合し始める。.

このpH移行は驚くほど正確だ。速すぎても遅すぎても、組み立てはうまくいかない。クモはダクトを覆う特殊な細胞でこれをコントロールし、プロトンを積極的に送り出すことで、スムーズなpH勾配を作り出している。.

第3段階：イオン交換. .酸性化と同時に、イオン環境も変化する。液体状態を安定させるナトリウムイオンと塩化物イオンが取り除かれる。カリウムイオンとリン酸イオンが導入される。これらのイオン交換は、溶解状態をさらに不安定にし、タンパク質の凝集を促進する。.

繰り返すが、これは厳密にコントロールされている。クモはただランダムにイオンを注入しているのではない。空間的なパターンがあり、タンパク質の集合を導く化学変化の順序が注意深く調整されているのだ。.

第4段階：機械的剪断。. ここで化学から物理学が引き継がれる。回転するダクトはテーパー状になっており、長さ方向に沿って幅が狭くなっている。増粘したタンパク質溶液は、この狭くなった流路に引っ張られ、せん断力が増加する。.

剪断とは、流体が表面を通過したり、制約を通過したりするときに起こる現象である。蜂蜜がスプーンから流れ落ちるのを想像してみてほしい。スプーンの表面にある蜂蜜は、遠くにある蜂蜜よりも動きが遅く、互いにすべり合う層ができる。それがせん断だ。.

クモのダクトの中では、せん断力がシルクのタンパク質に作用し、物理的に伸ばして流れの方向に揃える。これは非常に重要です。結晶性のβシート領域は繊維軸に平行に形成される必要があります。アモルファス領域はその間に適切に分布している必要があります。ランダムな配列では弱い繊維になる。テーパー付きダクトからのせん断力によって、方向性のある整列が生まれます。.

剪断はタンパク質を整列させるのに十分な強さが必要だが、タンパク質のフォールディングを乱さない程度に穏やかでなければならない。せん断力が弱すぎるとアライメントが悪くなる。強すぎるとタンパク質が変性し、構造が破壊される。.

クモは層流（乱流のない滑らかな層状の流れ）によってこれを実現する。化学的なトリガー（pH、イオン）がいつ所定の位置に固定するかを指示するにつれて、タンパク質は整然としたシートで互いの間をすり抜け、徐々に整列し、最終的な繊維構造へと組み立てられていく。.

ステージ5：固化. .ドープが回転ダクトの端に到達する頃には、もはや液体ではない。タンパク質は整列した束になっている。含水率は約10%まで低下している。繊維は固体になるが、まだいくらか弾力性があり、紡糸口金から引き離される数秒後に最終的な硬化が完了する。.

液体がダクトに入り、固体繊維が出てくるまでのプロセス全体は、数秒のタイムスケールで起こる。.

産業用押出成形がすべてを破壊する理由

では、このプロセスを工業用繊維製造装置で再現しようとするとどうなるか。.

従来の繊維紡績には、主に溶融紡績（ナイロン、ポリエステルに使用）と湿式紡績（レーヨン、一部のアラミドに使用）の2種類があります。どちらも小さな穴（紡糸口金）にポリマーを通して連続繊維にします。.

メルト・スピニングは熱を使う。ポリマーを溶かし、小さな穴から押し出す。押し出されたポリマーは冷却され、固化する。これは、熱的に安定な単純な合成ポリマーには効果的です。.

クモの糸タンパク質には役に立たない。タンパク質は高温で変性します。水和したクモの糸タンパク質は60-80℃付近で変性し始めますが、乾燥した繊維は200℃以上でも耐えることができます。溶融紡糸は通常200-300℃で行われます。その結果、タンパク質の風味を持つ炭化物ができてしまうのです。.

湿式紡糸は化学溶媒を使うことで熱を避ける。ポリマーを溶媒に溶かし、凝固浴（通常はポリマーを沈殿させる別の化学薬品）に押し出し、できた繊維を引き抜く。.

これはクモの糸に使えるかもしれないものに近い。いくつかの研究グループが、シルクドープをメタノールやアセトン、あるいはタンパク質を凝集させて固化させるさまざまな塩溶液に押し出すというバリエーションを試している。.

そして、それは一応うまくいく。繊維が取れる。クモの糸のタンパク質でできている。顕微鏡で見ると繊維のように見える。.

しかし、機械的特性はひどい。引張強度は天然のクモ糸の30%かもしれません。クモの糸を特別なものにしている重要な特性である強靭性は、ナイロンよりも劣ることが多い。繊維はもろい。切れやすい。.

何が悪かったのか？

問題1：アライメント. .工業用押出成形は高速です。経済的に実行可能であるためには、高いスループットが必要です。ミリメートルではなく、毎秒何メートルものファイバーが必要です。このような速度では、紡糸口金を通る流れは層流ではなく乱流になります。滑らかな層が互いに滑り合うのではなく、混沌とした混合とランダムな配向が生じます。.

絹のタンパク質はランダムに転がる。整列しない。固まるとき、それらは乱雑になる。結晶領域はランダムな方向を向いている。平行配列に依存する耐荷重構造は適切に形成されない。.

その結果、弱い繊維は天然シルクが扱えるストレスの何分の一かで故障してしまう。.

問題2：動力学. .クモの3秒間の変身は注意深くテンポよく行われる。pHは徐々に変化する。イオンは特定の時間スケールで交換される。タンパク質は最終構造に固定される前に、折り畳まれ、会合し、整列する時間がある。.

工業的な押し出しはミリ秒単位で行われる。タンパク質溶液は凝固浴にぶつかり、すぐに溶液からクラッシュする。タンパク質はどこにいても、どのような向きであっても凝集する。慎重に組み立てる時間はない。.

速く沈殿するのであって、制御された自己組織化ではない。レンガを慎重に積み上げて壁を作るのと、トラック1台分のレンガを山積みにするのとの違いだ。.

問題3：剪断。. これが致命的だ。工業的な流速では、紡糸口金にかかるせん断力は、クモがかける力よりも桁違いに大きい。これらの力は化学結合を破壊し、タンパク質のフォールディングを乱し、アライメントが不可能になるほどのカオス的な流れを作り出す。.

しかし、ただペースを落とすことはできない。流れが遅いということは、処理能力が低いということであり、不経済な生産を意味する。クモが3秒かかるのは、数メートルの絹が必要だからだ。工場がナイロン生産に対抗するには、1時間に何キロも必要なのだ。.

物理学はスケールしない。0.5ミリのダクトで3秒かけて行われる穏やかで制御されたせん断は、より高速で作動する大きなシステムでは再現できない。流体力学は根本的に変化する。乱流は避けられない。.

低速回転の経済的罠

マイクロ流体チャンネルを通したゆっくりとした押し出し、注意深いpH勾配、制御されたイオン交換、穏やかな引っ張り力などである。.

2017年、スウェーデン農業科学大学のチームが、天然シルクの機械的特性70%に迫る繊維を製造する実験室規模の紡績を実証した。これは正真正銘のブレークスルーだった。.

毎時約1メートルで生産していた。.

工業用繊維の生産は毎時1,000～10,000メートルで行われている。ケブラーの生産ラインは、およそ毎分100メートルで稼動している。特殊な高性能繊維の生産でも、メートル毎時ではなく、メートル毎分の速度を想定している。.

これが経済的な罠である。クモのプロセスを再現することに近づけば近づくほど、機械的特性が良くなればなるほど、生産にかかる時間は遅くなり、コストも高くなる。優れた繊維であればあるほど、商業的な採算性は低くなる。.

クモ品質の繊維をクモのようなスピードとクモのようなスケールで、1日あたりグラム単位で、1キログラムあたり数千ドルのコストで生産することもできる。あるいは、1日に何トンも生産する工業的な処理能力を持つこともできますが、その繊維は、そもそもクモの糸を追求する価値があった特性を失ってしまいます。.

中間地点はまだ見つかっていない。クモの糸繊維」の生産を発表した企業は、通常、工業用スピードの選択肢を選び、達成可能な生産速度と引き換えに機械的特性が劇的に低下することを受け入れた。その繊維は、分子組成は「クモの糸」だが、性能は「クモの糸」ではない。.

なぜこの問題は何億人もの人々を飲み込んだのか？

紡績のボトルネックを理解することで、クモの糸産業がなぜこのように発展してきたのか、そしてなぜその約束を果たせなかったのかがわかる。.

タンパク質の生産は、2010年代半ばまでに多かれ少なかれ解決された。発酵技術は機能している。収量は向上し続けている。コストは下がり続けている。タンパク質だけで十分なら、クモの糸産業があるはずだ。.

しかし、プロテインだけでは十分ではない。プロテインは高価な原料に過ぎず、タンクの中で工業的規模では存在しない製造プロセスを待っているに過ぎない。.

紡糸プロセスでは、化学的性質（pH、イオン）、流体力学的性質（層流、特定のせん断力）、動力学的性質（集合のタイミング）を同時に制御する必要があり、そのすべてが経済的に十分な速度で連続的に進行する。自然界では、4億年の進化によって最適化された5ミリのダクトでこれを実現している。私たちは、まったく異なるポリマー、まったく異なる組み立てメカニズムに最適化された工業用装置でこれを行おうとしているのだ。.

工程を拡大しようとするたびに、何かが壊れる。ダクトを大きくする？流れが乱れる。プロセスを速くする？アライメントが崩れる。凝固を早めるために化学凝固を強くする？タンパク質の構造が崩れる。.

クモのソリューションは絶妙だが、クモであることに絶妙に適応し、クモのスケール、クモのスピード、クモの制御機構で作動する。クモは工業化を望んでいない。物理学がそれを拒む。経済学はそれを罰する。.

30年経ってもクモの糸の防弾チョッキが買えないのはそのためだ。クモの糸が何かわからないからではない。タンパク質を作れないからでもない。しかし、液体から固体への変化、つまりクモの腹部で起こる3秒間の分子振り付けが、経済的に大規模に再現する我々の能力を超えているからである。.

レシピは解決した。私たちはまだキッチンを作ろうとしている。そして、キッチンが難しいことがわかった。.

生体材料のスケールアップ問題

2008年、ネクシア・バイオテクノロジーズというクモの糸の新興企業は、書類上は成功のように聞こえる問題を抱えていた。彼らはヤギのミルクでクモの糸タンパク質を生産することができた。その発酵プロセスは洗練されていた。精製プロトコルはうまくいった。施設内には絹糸を紡いで繊維にする準備が整った桶が置かれていた。.

問題は、これらの桶はおよそ$2百万相当のタンパク質に相当し、誰もそれをどのように利益に変えるかを知らなかったことだ。.

同社はここまで来るのに8年の歳月と$5億ドルを費やした。概念実証もあった。出版物もあった。特許もあった。彼らが持っていなかったのは、“研究室でこれができる ”から “これを製造コスト以上の価格で販売できる ”までの道筋だった。”

年後、ネクシアは倒産した。.

これは死の谷であり、ほとんどのバイオマテリアル企業が死にに行く場所だ。科学がまだ不確かな最初の段階ではない。生産規模が拡大し、顧客が買い求めるようになる終わりでもない。実証された技術から実行可能な製造への残酷な移行期なのだ。.

この谷では30年前からクモの糸が枯れ続けている。.

進歩の幻想

材料科学研究には、失敗を前進の勢いのように見せる独特のダイナミズムがある。毎年、誰かがタンパク質の収率向上や繊維特性の改善、あるいは斬新な紡績方法を示す論文を発表する。数年に一度、新興企業が「画期的な」生産能力を達成したと発表する。.

数字は印象的に聞こえる：“発酵効率の10倍向上”。「800MPaに達する繊維強度「年間50キログラムの生産能力。“

投資家、ジャーナリスト、防衛請負業者など、この分野以外の人間には、これらは大きなマイルストーンのように聞こえる。産業が商業的実用性に近づいているように聞こえるのだ。.

製造業を理解している人間からすれば、オリンピックの予選に挑みながら、歩けるようになったことを喜んでいるようなものだ。.

研究室での成功と産業としての実行可能性のギャップは直線的なものではない。対数ですらない。それは一連の複合的な問題であり、互いに掛け合わせることで、近づくにつれて指数関数的に難しくなる障壁を作り出している。.

工業的規模」が実際に意味するもの

新興企業が年間50キログラムの生産を発表する場合、プレスリリースにはしばしば予測が含まれる：「この生産能力は、500キログラム、5トンと拡大し、高性能繊維の商業利用を可能にする」。“

この予測が見落としているのは、工業材料はキログラム単位で消費されるのではなく、トン単位で消費されるということだ。トン単位で消費されるのだ。数千トンだ。.

世界の繊維用ナイロン生産量：約600万トン／年パラ系アラミド繊維（ケブラーを含む）の生産量：年間約11万トン。特殊アラミド繊維でさえ、年間数千トンの市場ニッチを占めている。.

パフォーマンス・ファイバー市場で存在感を示すには、支配的な存在ではなく、あくまでも存在感を示すには、最低でも年間数百トンの生産能力が必要だ。そうでなければ、契約を供給することはできません。一貫性も保証できない。価格競争力を高める規模の経済も実現できない。.

年間50キログラムというのは、以前は50グラムしか生産していなかった研究者なら、とても多く聞こえるだろう。1000倍の改善だ。成功のように感じる。.

しかし、年間50キログラムといえば、1日あたり約140グラム。つまり5オンスだ。年間生産量のすべてをショッピングバッグに入れて持ち運ぶことができる。.

年間50キログラムから年間100トンへの距離は、漸進的な進歩ではない。2,000倍のスケールアップなのだ。そして、そのスケールアップの一歩一歩が新たな問題を引き起こす。.

汚染の大惨事

生物学的製剤製造の最も残酷な側面のひとつは、汚染リスクである。この問題は、製薬会社が莫大な費用を投じて何十年もかけて克服してきたものである。バイオマテリアル企業も同じ教訓を学んでいるが、その資金ははるかに少なく、エラーの余地ははるかに少ない。.

シナリオはこうだ：10,000リットルのバイオリアクターでクモの糸タンパク質を生産する酵母を培養しているとする。発酵には3〜5日かかる。すべてが完璧に行われれば、およそ30キログラムのタンパク質を含む10,000リットルの発酵ブロスができる。.

この30キログラムは、生産コストにもよるが、最も楽観的な価格設定で、およそ$3,000から$10,000の価値がある。バッチ全体では、おそらく$20,000相当の原料（糖分、栄養素、成長培地）、エネルギー、労働力に相当する。.

ここで、ある汚染事象を想像してほしい。バクテリアが原子炉に侵入する。空気処理システムからかもしれない。不適切に滅菌されたバルブからかもしれない。給水からかもしれない。コンタミネーションは単に酵母の成長を遅らせるだけでなく、設計した菌株のための栄養素を積極的に消費します。酵母はタンパク質を変性させる廃棄物を生成する。せっかくの高価なバッチが、保存不可能な廃棄物になってしまうのです。.

1リットルのフラスコ、入念な滅菌技術、常時監視する研究者など、小規模な実験室ではコンタミネーションはまれである。10,000リットルの工業用バイオリアクターが、複数の供給ライン、サンプリングポート、温度制御システムを使って何日も連続運転される場合、コンタミネーションは絶え間ない脅威となる。.

医薬品製造は、クリーンルーム、冗長滅菌、シングルユース・バイオリアクター・コンポーネント、各段階での徹底的な品質検査など、極端な対策によってこれに対処している。これらの対策は有効である。また、導入と維持には数百万ドルのコストがかかる。.

キログラム当たり$2のナイロンと競争しようとするバイオマテリアル企業は、医薬品レベルの汚染管理をする余裕はない。しかし、バッチを失う余裕もない。汚染率が5%であっても、20バッチに1バッチが失敗すれば、ただでさえマージンが薄いのに、経済性を完全に破壊することになりかねない。.

誰も語らない浄化コスト

発酵後、複雑な生物学的スープができる。酵母細胞、使用済み培養液、代謝副産物、そしてその混乱のどこかにクモの糸タンパク質がある。さて、それを抽出する必要がある。.

川下加工と呼ばれるこの工程は、生物学的製造において常に最も高価な部分である。クモの糸の場合、生産コストの40-60%を占めることが多い。.

タンパク質を細胞塊から分離する必要がある。そのためには、細胞を破るか（タンパク質が細胞内にある場合）、細胞から分離する必要がある（タンパク質が培地に分泌された場合）。次に、他のタンパク質、核酸、脂質、細胞の残骸をすべて取り除く必要がある。.

細胞を除去するための遠心分離、大きな汚染物質を除去するためのろ過、タンパク質を他のものから分離するためのクロマトグラフィー、そして最後にタンパク質を紡糸に必要な高密度にするための濃縮です。.

各工程にはコストがかかる。遠心分離機はエネルギーを消費する。フィルターは目詰まりし、交換が必要である。クロマトグラフィー樹脂は高価で、再利用サイクルに限りがある。濃縮には、高価な限外濾過膜か、エネルギー集約的な蒸発が必要である。.

しかし、これが真犯人なのだ。これらのコストは比例して減少するわけではない。なぜなら、同じ設備、同じ品質管理、同じ熟練労働力が必要だからだ。.

これは悪循環を生む。工業規模で生産するまでは、工業規模の装置を買う余裕はない。しかし、キログラム当たりの精製コストを引き下げる工業規模の装置を手に入れるまでは、工業生産量に達して利益を上げることはできない。.

複数のクモの糸企業が何年も開発に取り組んだ結果、紡績前、付加価値をつける前の精製コストだけで、その製品が既存の素材と競争できないことを発見した。彼らは発酵を最適化し、高い収率を達成したが、それでも経済的にうまくいかなかった。.

一貫性見えない殺人者

研究室では、ばらつきが予想される。バッチAは1リットル当たり27グラムのタンパク質を生産する。バッチBでは1リットル当たり31グラムのタンパク質が生成された。あなたは実験ノートにその差を記録し、何が変わったかを調べ、次に進みます。.

工業生産では、この変動は大惨事となる。.

繊維メーカー、防衛関連企業、医療機器メーカーといった産業界の顧客は、特定の保証された特性を持つ材料を求めている。引張強さ1.0GPa、破断伸度15%の繊維を1,000キログラム発注する場合、1キログラムごとにその仕様を満たす必要がある。.

平均してではない。常にではない。1キロごとに、1回ごとに、永遠に。.

生物学的製造では、これが非常に難しい。発酵性能は、温度、攪拌速度、供給タイミング、さらには細胞培養の年数の微妙な変化によって変化する。同じ遺伝子株でも、フォールディングや翻訳後修飾、純度がわずかに異なるタンパク質を生産することがある。.

これらのバリエーションは連鎖する。紡糸工程に投入されるタンパク質がわずかに異なると、機械的特性がわずかに異なる繊維ができる。スペックより5%強いバッチは、5%弱いバッチと同じくらい問題があります。.

バッチ間の一貫性を達成するには、徹底した工程管理が必要である。すべてのパラメーターを監視し、厳しいウィンドウ内に維持しなければならない。原料、水、空気など、すべての投入物の品質は一定でなければならない。すべての機器は、毎回同じ性能を発揮しなければならない。.

製薬会社は、広範な文書化、統計的工程管理、徹底的なテストなど、いわゆるプロセス・バリデーションによってこれを実現している。製薬会社にはこのような余裕がある。タンパク質治療薬は、1kgあたり$1万ドル以上で販売されるかもしれない。.

クモの糸タンパク質が素材として競争力を持つには、1kgあたり$100以下、理想的には$50以下で販売する必要がある。大規模な品質管理のオーバーヘッドに余裕はない。しかし、それがなければ市場もない。.

いくつかの企業は、この緊張と闘ってきた。平均的に優れた特性を持つ繊維を生産することはできても、バッチごとのばらつきが大きすぎたのです。あるバッチは90%のナチュラルシルクの特性をテストし、興奮しました。次のバッチは60%。3回目は85%に戻る。.

産業界の顧客にとって、この一貫性のなさは、その材料を使用不可能なものにしてしまう。特性を保証できない材料を中心に製品を設計することはできない。平均値が良くても範囲が広ければ意味がない。.

設備投資の罠

これが、原材料のスケールアップにおける最も残酷な経済的現実である。.

クモの糸繊維を商業的に適切な量、たとえば年間100トン生産するには、以下のものが必要だ：

- 工業規模の発酵能力：複数の50,000リットル以上のバイオリアクター

- 下流処理装置：工業用遠心分離機、ろ過システム、クロマトグラフィーカラム

- 紡糸設備：特注設計システム（市販の紡糸設備はクモの糸には使えないため）

- 品質管理試験所：分析機器、試験装置、訓練された人員

- 施設インフラ：クリーンルーム、ユーティリティ、廃棄物処理、保管庫

年間100トンのクモ糸繊維を生産できる施設の総資本コストは？業界の専門家の見積もりでは、特定の技術と場所によって異なりますが、$50百万から$150百万です。.

この資金は、最初の商業用トンを生産する前に調達し、使用する必要がある。顧客ができる前に。あなたの製法がフルスケールで機能することを確信する前に。収益を得る前に。.

これはベンチャーキャピタルが「資本集約型」と呼ぶビジネスモデルであり、彼らはこれを嫌う。理想的なベンチャー・ビジネスは資産の少ないもの、つまりソフトウェアやサービス、最小限の追加資本で拡大できるものだ。素材製造は正反対だ。資産が重く、資本集約的で、収益に達するのに時間がかかる。.

リターンも低くなる。すべてがうまくいったとしても、成熟した市場において、素材企業は20～30%の利益率を達成するかもしれない。成功したソフトウェア企業は、80%以上の利益率を達成するかもしれない。同じ額の投資資本とリスクなら、VCはむしろソフトウェアに資金を提供する。.

このことは、多くのクモの糸企業が、規模を拡大しようとした矢先に資金不足に陥った理由を説明している。彼らは技術開発のために$1,000万ドルを調達した。パイロットプラントを建設するためにさらに$2,000万ドルを調達した。しかし、投資家は疲弊し、スケジュールは「市場投入まで3年」から「あと5年」に伸び、誰も次の小切手を書きたがらない。.

スケールの致命的なダンス

バイオマテリアルのスケールアップ問題の最も残酷な側面は、スケールアップするまでプロセスを検証できないということだ。.

100リットル、1,000リットル、10,000リットルの小規模生産では、100,000リットルでどのようにプロセスが機能するかを予測することはできない。混合力学は変化する。熱伝達が難しくなる。コンタミネーションのリスクが高まる。機器の挙動が変化する。.

製薬会社は、大規模なパイロット試験、各スケールでの慎重な特性評価、保守的な予測など、理路整然としたスケールアッププロセスを通じてこの問題に対処する。製薬会社は、1キログラム当たり$10万ドルで販売される可能性のある製品を目指しているため、このような余裕を持つことができるのだ。.

素材企業は、1キログラム当たり$50で販売する必要のある製品に取り組んでいる。何年もかけて慎重に試験研究を行う余裕はない。投資家からは、資金が尽きる前に早く商業規模に移行し、収益を上げ始めるようプレッシャーをかけられている。.

だから、より大きなジャンプをする。限られたデータに基づいて1,000リットルから50,000リットルへとスケールアップする。そして時には、予想と異なる結果を招くこともある。汚染率が高くなる。タンパク質収量が下がる。精製効率が落ちる。.

今、あなたは$3,000万ドルを費やして施設を建設したが、予測通りのパフォーマンスは得られなかった。キログラム当たりのコストはモデルの予測より50%高い。競争力はない。資金調達ができないのは、すでに規模を拡大して失敗しているからだ。.

商業生産まであと数年」だった会社が、突然、倒産まであと数カ月となった。.

年間キログラム」が罠である理由

クモの糸メーカーが「生産能力100キログラムを達成しました」というマイルストーンを発表する場合、技術的には正しくても経済的には無意味であることが多い。.

年間100キログラムの生産能力は、1日当たり約275グラムを生産できることを意味する。これは、研究所に供給し、プロトタイプの材料を作り、コンセプトの実証を行うには十分な量だ。しかし、産業界の顧客1社に1つの製品ラインを供給するには到底足りない。.

高性能繊維を複合部品に使用する自動車メーカーは、その用途のためだけに年間10～50トンを必要とするかもしれない。防護服を製造する防衛請負業者は年間数百トンを必要とする。繊維メーカーは年間数千トンを必要とする。.

多くのバイオマテリアル企業が行き詰まるのは、「これを生産できる」と「これを重要なほど生産できる」の間のギャップである。科学的な問題を解決し、技術を実証したのに、スケールアップの段階で、調達できない資本、持っていない専門知識、投資家が与えてくれない時間が必要なのだ。.

キログラムのマイルストーンを祝うのは、それがスタート地点からの本当の進歩だからだ。しかし、市場はキログラムなど気にしていない。市場が気にしているのは、トン、一貫性、そして価格なのだ。.

だからこそ、30年の進歩を経て、何千もの研究論文と何億もの投資を行ってもなお、クモの糸繊維を商業的に納得のいく価格で工業的に大量に購入することができないのだ。.

死の谷を越えようとした者はほとんど皆、その谷を越えてきた。そして、その途中まで辿り着いた数少ない生存者は、まだ歩き続けている。.

バイオミミクリーの罠：なぜ「自然のコピー」は失敗し続けるのか？

1948年、ジョージ・ド・メストラルというスイス人技師が、狩猟の旅からバリだらけになって帰ってきた。デ・メストラルというスイス人技師は、狩猟から戻ってバリだらけになっていたバリを顕微鏡で観察した。バリ表面の小さな鉤が布のループに引っかかっていたのだ。それから4年後、彼はマジックテープを発明した。.

これはバイオミミクリーの原点であり、ビジネススクールのケーススタディやイノベーションの基調講演でも繰り返されている。これは魅惑的なフレームワークだ。自然は何十億年もかけて解決策を最適化してきた。私たちはただ観察し、理解し、再現すればいいのだ。.

クモの糸はこのアプローチの申し子となった。進化は4億年をかけて超素材を完成させた。私たちに必要なのは、それをコピーすることだけだった。.

それから30年、私たちはまだ挑戦し続けている。そして一貫した失敗は、イノベーション戦略としてのバイオミミクリー（生物模倣）について、ある違和感を明らかにしている。自然を模倣することが賢いエンジニアリングでないこともあれば、組織的に誤った方向に導く罠であることもあるのだ。.

進化が実際に最適化するもの

クモの糸産業を最初から破滅に追いやった根本的な誤解がここにある。進化は効率やコスト、拡張性のために最適化するのではない。進化は効率やコスト、拡張性に対して最適化するのではなく、特定の生態学的文脈における繁殖の成功に対して最適化するのである。.

クモのシルク生産システムは、昆虫を捕らえ、食べられるのを避けるために1日に数メートルの繊維を生産する必要がある孤独な捕食者向けに最適化されている。それだけだ。それが進化が用いた適性基準なのだ。.

このシステムは、クモが繁殖するのに十分な時間生きていられるだけの信頼性が必要なのだ。クモが利用できる資源（消化された獲物から得られるタンパク質、同じ食事から得られる代謝エネルギー）を利用する必要がある。高速である必要も、（経済的に）安価である必要も、工業生産に重要な一貫性がある必要もない。.

クモは毎日巣を作り直し、古い絹を食べてタンパク質を回収する。糸が切れれば、また新しい糸を作る。寒い朝に絹の生産が遅くなったとしても、クモがその日に捕らえる昆虫の数は減るが、飢えることはない。生物学的システムには、柔軟性、冗長性、エラー耐性が組み込まれているのだ。.

工業製造業は、このようなことは一切許容できない。寒い日に20%の少ない繊維を生産する工場は、失敗した工場である。リサイクルや再処理のミスを必要とする工程は不経済な工程である。毎回完璧に」ではなく「十分に確実に」機能するシステムは停止する。.

進化は自然界で生き残るためにクモを最適化した。資本主義では、利益を得るために最適化が必要だ。これらは同じ最適化問題ではない。.

自然が無視するスケーリングの法則

バイオミミクリーを提唱する人々がほとんど議論しない、より深い問題がある。.

クモの回転ダクトは長さ約5ミリ、幅約半ミリ。シルクドープはその中を秒速何ミリメートルという単位で流れる。層流、制御されたせん断力、予測可能なイオン拡散、pH勾配などである。.

これを100倍にすることを想像してみよう。100倍のシルクを処理したいので、100倍の体積のダクトを作る。.

物理学はスケールしない。まったく。.

システムの表面積と体積の関係は、スケールによって変化する。チューブの直線寸法を2倍にすると、表面積は4倍になるが、体積は8倍になる。このことは、熱伝達、拡散速度、混合力学に、数学的に避けられない形で影響を与える。.

さらに決定的なのは、流れの体制が変わることだ。クモの小さなダクトは粘性力が支配的な領域で作動し、流れはスムーズで予測可能です。規模を拡大し、経済的な処理能力を維持するために流量を増加させると、慣性力が支配的な領域へと移行する。流れは乱流になる。タンパク質を整列させるための注意深い層流せん断は、タンパク質を混乱させるカオス的混合に取って代わられる。.

これはエンジニアが回避できる問題ではない。物理学なのだ。流体力学の方程式は非線形です。異なるスケールでの流体の挙動は根本的に異なる。.

より大きな紡糸口を作ることはできない。より大きな紡糸口は、クモの解法が通用しない別の物理的領域で作動する。.

統合の問題

クモの絹生産システムは独立したモジュールではない。クモの生理全体に深く組み込まれているのだ。.

絹糸腺にはクモの消化器官から栄養分が供給され、消化器官はすでに原料を分解・処理している。紡糸ダクト内のpH勾配は、クモの代謝によって動かされ、神経系によって制御される細胞によって維持される。機械的な引っ張り力はクモの脚から発生し、プロプリオセプティブ・フィードバックがクモに引っ張る速度と張力を正確に伝える。.

温度調節？クモの体温だイオン供給？クモのヘモリンパ（血液）。老廃物の除去？クモの排泄システム品質管理？シルクが適切に機能していない場合、クモは行動的に補う-より強く引っ張ったり、巣の構造を調整したり、あるいは完全に作り直したりする。.

システム全体が機能しているのは、文脈を提供し、制御し、自動的に修正する生命体に組み込まれているからだ。.

では、回転するダクトだけを取り出して工場で再現してみよう。そのためには、すべてのサポートシステムを人工的に提供する必要がある。イオンを循環させるポンプが必要だ。pHを管理する制御システム。温度調節。力センサーとフィードバックループ。何か問題が発生したときにそれを検出するための分析装置。.

クモの紡錘形をコピーしているのではない。クモを丸ごとコピーしようとしているのだ。そして、きれいに分離できないことがわかった。.

模倣しようとしているエレガントな解決策は、複雑な生物学的システムに組み込まれているからこそ機能するのだ。ソリューション」と「システム」は切り離せない。一方がなければ、もう一方を手に入れることはできないのだ。.

進化が気にしないコスト構造

ここで思考実験をしてみよう：クモが絹を生産するのにかかる「コスト」とは何だろう？

経済的な観点からすれば、この質問はナンセンスだ。クモは原料を買わない。獲物を捕らえ、消化し、得られたアミノ酸を使用する。インボイスもキログラムあたりの価格も売上原価もない。.

エネルギーコスト？クモの代謝が同じ獲物からエネルギーを得ている。電気代はかからない。設備は？絹糸腺はクモの成長の過程で自然に成長する。減価償却の予定はない。.

クモの “製造設備 ”は自由で、自己複製し、自己維持する。原料は無料。エネルギーも自由。品質管理は内蔵の神経フィードバック。労働力は...そう、クモそのものだ。.

では、工場がシルクを生産するのにかかるコストを考えてみよう：

- 原料：発酵用糖基質1kgあたり$5～15

- エネルギー：バイオリアクター、ポンプ、温度制御、浄化のための電力

- 資本：バイオリアクター、紡糸設備、品質管理ラボ-長期的に減価償却される

- 労働力：熟練オペレーター、エンジニア、品質管理技術者

- 諸経費：施設の維持管理、規制遵守、保険

- 廃棄物処理：使用済み発酵ブロス、失敗バッチ、精製溶剤

スパイダーにとってゼロであるコスト項目は、工業製造業にとってはすべてゼロではなく、しばしば劇的にゼロである。.

進化は、クモの通常の代謝と生物学的機能によって、これらのコストがすべて外部化され、吸収されるシステムを最適化した。私たちは、すべてのインプットに対して明確な対価を支払いながら、アウトプットを再現しようとしているのだ。.

だからこそ、“自然をコピーする ”というアプローチは最初から破滅的だったのだ。私たちは製造プロセスをコピーしようとしていたのではない。まったく異なる経済性と制約を用いながら、製造プロセスの最終結果をコピーしようとしていたのだ。.

誰かが自宅のキッチンで料理を作っているのを見て、“それを真似してレストランを始めよう ”と考えるようなものだ。家庭の料理人は、食材の原価率や労働効率、保健所の規制などを気にすることはない。レストランはそのすべてを心配しなければならない。同じレシピでも、文脈が違えば経済性はまったく異なる。.

バイオミミクリーが実際に機能するとき

公平を期すため、バイオミミクリーは必ずしも罠ではない。マジックテープはうまくいった。抵抗を減らすシャークスキンから着想を得た表面は商品化に成功している。ヤモリにヒントを得た接着剤は実際に製品化されている。.

これらの成功の共通点は何か？プロセスではなく、原則を真似たのだ。.

ベルクロはバリを生やそうとはしない。標準的な射出成形で製造されたプラスチックのフックとループを使用している。その仕組みは、フックがループに引っ掛かるという生物模倣的なものだが、実装は工業的なものだ。.

シャークスキンにインスパイアされた表面は、サメの皮膚の生物学的成長プロセスを再現しようとはしていない。微細加工技術を用いて、異なる素材に同様の表面パターンを形成するのだ。パターンは生物模倣であり、製造は従来の製造方法である。.

クモの糸がその最たる例だが、失敗は生物学的プロセスそのものをコピーしようとしたときに起こる。工場に生物のような振る舞いをさせようとすると。.

クモは、生物学的制約と生物学的経済性を備えた生物学的文脈で進化した生物学的プロセスによって絹を生産する。そのプロセスを、工業的制約と工業的経済性を持つ工業的文脈で再現しようとするのは、カテゴリーエラーである。.

コミットメントのサンクコスト

2000年代半ばまでに、クモ糸の研究者の多くはこの問題を理解していた。純粋なバイオミミクリー（生物模倣）のアプローチ-紡糸口を複製し、可能な限り自然のプロセスを模倣する-はうまくいかなかったのだ。自然のコピーに近づけば近づくほど、そのプロセスは経済的に成り立たなくなった。.

しかし、それまでには、このアプローチに数億ドルが費やされていた。企業はバイオミメティック・スピニングを中心にテクノロジー・スタックを構築した。クモの生理学を専門とする生物学者を雇った。生物学に着想を得た製造プロセスに関する特許を申請した。.

バイオミミクリーからの転換は、基本的なアプローチが間違っていたことを認めることを意味した。それは長年の研究を帳消しにすることを意味した。それは投資家に対して、なぜ基本戦略を変更する必要があるのかを説明することを意味した。.

多くの企業はピボットしなかった。二の足を踏んだのだ。パラメーターを微調整し、条件を最適化し、根本的に欠陥のある枠組みでわずかな改善を追求し、バイオミメティック・アプローチを成功させようとし続けたのだ。.

これは罠の最終的なメカニズムである。バイオミミクリーが間違った方向に導いたというだけではない。知的にも、財政的にも、組織的にも、一度その方向性にコミットしてしまうと、軌道修正はほとんど不可能なのだ。.

生き残った企業、つまり現在もクモの糸に取り組んでいる企業は、純粋なバイオミミクリーをほとんど放棄している。クモの糸に由来する原理（タンパク質の構造、結晶-非晶質構造）を利用しながら、製造工程を産業用に完全に再設計するのだ。.

クモのタンパク質を完全にあきらめ、従来の高分子化学を使ってシルクの分子構造を模倣した合成ポリマーを設計する者もいる。発酵なし。生物学的プロセスもない。ただ、自然界からコンセプトを借用し、自然界の実装をコピーしようとすることなく、注意深く分子設計を行うだけである。.

これらのアプローチは実際にうまくいくかもしれない。しかし、それらはもはやバイオミミクリーではない。たまたま生物学からヒントを得た材料工学なのだ。.

クモの糸が教えてくれたこと

クモの糸の話は科学の失敗ではない。それは戦略の失敗であり、いかに自然に忠実に従いすぎると、実行可能なイノベーションから体系的に遠ざかってしまうかというケーススタディなのである。.

教訓は “自然を見るな ”ではない。自然を模倣しようとする前に、自然が実際に何のために最適化されたのかを理解せよ」ということだ。“

進化は生物を生態学的ニッチに最適化する。工業生産は市場経済における利益のために最適化される。これらは、制約条件も成功基準もまったく異なる最適化問題である。.

クモのソリューションはクモには完璧だ。工場にとっては最悪だ。そして、どんなに巧みなエンジニアリングを駆使しても、この根本的なミスマッチを変えることはできない。.

クモの糸における真の技術革新は、それが実現するとしても、クモを完全にコピーすることから生まれるのではない。それは、分子レベルでクモの糸を機能させているものを理解し、工業的手法、工業的経済性、工業的制約を利用して、同様の結果を達成するまったく別のプロセスを設計することから生まれるだろう。.

バイオミミクリーではない。バイオ・インスピレーション。自然から学ぶのであって、自然になろうとするのではない。.

蜘蛛の巣の中にいる蜘蛛は、実際には抱えていない問題に対する美しい解決策だ。私たちはそれがエレガントに見えたので真似したかった。自然界におけるエレガンスと産業界における実現可能性はまったく異なるものだからだ。.

自然から得た最良のアイデアとは、時として、私たちが適応させ、見分けがつかないほど変化させたものである。そして時には、クモの糸が私たちに教えてくれているように、自然からの最高のアイデアは、賞賛されつつも複製されず、理解されつつも商品化されず、自然の中にとどまるべきなのだ。.

ある文脈で完璧に機能するから、別の文脈でも機能するはずだと考えることだ。自然と産業は、まったく異なるルールでまったく異なるゲームをしている。自然の遊び方を真似て産業界のゲームに勝とうとすることは、最初から明白であったはずのことを学ぶのに30年と数億ドルを費やすことになる。.

奇跡とは、クモの糸が素晴らしいということではない。奇跡とは、クモがそれを簡単に見せることだ。そして、その簡単さ、つまり進化のエレガンスこそが、業界全体を実際よりも単純な問題だと誤解させたのである。.

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参考文献

クモの糸 - Wikipedia
https://en.wikipedia.org/wiki/Spider_silk

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

クモの糸の伸長性 - テネシー大学
https://lgross.utk.edu/LGrossTIEMwebsite/home/gross/public_html/bioed/bealsmodules/spider.html

バイオスチール製ヤギ - The Globe and Mail (2000)
https://www.theglobeandmail.com/report-on-business/nexias-transgenic-spider-goat-to-produce-milk-of-steel/article1035969/

クモの糸の進化 - サイエンス・ニュース・トゥデイ
https://www.sciencenewstoday.org/how-spiders-weave-webs-stronger-than-steel

ケブラー - Wikipedia
https://en.wikipedia.org/wiki/Kevlar

ケブラー繊維の靭性 - ScienceDirect (2021)
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359836821005011

ダーウィンズ・バーク・スパイダー - Wikipedia
https://en.wikipedia.org/wiki/Darwin’s_bark_spider

合成クモ糸のコスト - KraigLabs
https://www.kraiglabs.com/comparison/

合成クモ糸の技術経済分析 - AIChE Proceedings (2024)
https://proceedings.aiche.org/conferences/aiche-annual-meeting/2024/proceeding/paper/161b-techno-economic-analysis-and-life-cycle-assessment-synthetic-spider-silk-production

ナイロン価格ガイド - Derun Nylon
https://www.derunnylon.com/News/nylon-6-and-nylon-66-price-guide-costprice-per-kg-from-china

ケブラーのコスト分析 - MDPI ポリマー
https://www.mdpi.com/2073-4360/17/16/2254

バイオスチール繊維 - Wikipedia
https://en.wikipedia.org/wiki/BioSteel_(fiber)

世界のポリアミド繊維生産 - Statista
https://www.statista.com/statistics/649908/polyamide-fiber-production-worldwide/

世界のアラミド繊維産業展望 - 道新マテリアル
https://www.doshinematerial.com/news/outlook-of-the-global-aramid-fiber-industry-84086734.html