home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ TIME: Almanac 1995 / TIME Almanac 1995.iso / time / 030893 / 0308300.000 < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1994-03-25  |  9.0 KB  |  173 lines

  1. <text id=93TT1087>
  2. <title>
  3. Mar. 08, 1993: Copying What Comes Naturally
  4. </title>
  5. <history>
  6. TIME--The Weekly Newsmagazine--1993               
  7. Mar. 08, 1993  The Search for the Tower Bomber       
  8. </history>
  9. <article>
  10. <source>Time Magazine</source>
  11. <hdr>
  12. SCIENCE, Page 58
  13. Copying What Comes Naturally
  14. </hdr>
  15. <body>
  16. <p>Scientists are creating revolutionary new materials by imitating
  17. the weave and structure of biological designs
  18. </p>
  19. <p>By J. MADELEINE NASH/CHICAGO
  20. </p>
  21. <p>     A cobweb glistening with dew seems as fragile as it is lovely.
  22. But one day soon, predicts University of Wyoming biologist Randy
  23. Lewis, man-made analogues of spider silk will be put to an astonishing
  24. variety of heavy-duty uses, from reinforcing fibers in aircraft
  25. doors to body-hugging suits for downhill skiers. Over the past
  26. four years, Lewis has played the attentive host to dozens of
  27. fist-size spiders called golden orb weavers, housing them in
  28. Plexiglas condominiums, feeding them a daily diet of flies and,
  29. every now and then, flipping them on their backs to unravel
  30. yards of gossamer thread. The ambitious goal of all this effort:
  31. to unravel the secrets of spider silk, a family of materials
  32. stronger than steel, stretchier than nylon and tougher than
  33. Kevlar, the stuff used to make bulletproof vests.
  34. </p>
  35. <p>     What gives spider silk its impressive array of qualities? What,
  36. for that matter, lends crack resistance to horses' hooves and
  37. adhesiveness to the secretions of mussels and barnacles? What
  38. makes rats' teeth sharp and insect cuticle hard? By answering
  39. such questions, Lewis and other researchers hope to usher in
  40. an exciting new era in materials science, one based not on petroleum
  41. products like nylon and plastic but on proteins synthesized
  42. by living, growing things. "Why go to an organic chemist for
  43. new materials," asks University of Mississippi biochemist Steven
  44. Case, "when nature has already produced some beauties?"
  45. </p>
  46. <p>     Fine-tuned by 4 billion years of evolution, protein chemistry
  47. has a lot to recommend it. To produce Kevlar, for instance,
  48. requires vats of concentrated sulfuric acid that must be maintained
  49. at high pressure. But spiders produce silk in the open air using
  50. water as a solvent. "I am absolutely fascinated," says University
  51. of Washington materials scientist Christopher Viney, "that such
  52. an incredible material starts out as a solution in water, and
  53. all the spider does is squirt it out through a small hole. In
  54. the process, proteins that were soluble turn into insoluble
  55. fibers. Now, isn't that amazing?" Just as amazing is Viney's
  56. discovery that spider silk in its soluble phase forms a liquid
  57. crystal rather like the displays on digital wristwatches.
  58. </p>
  59. <p>     Biological wizardry of a different sort is responsible for the
  60. ruggedness of abalone shells, which under high-powered microscopes
  61. resemble elaborately constructed stone walls. In this case,
  62. crystals of calcium carbonate, siphoned from seawater, serve
  63. as the stones, while a slurry of protein and complex sugars
  64. acts as the mortar between them. "The ingredients themselves
  65. are not at all impressive," marvels Princeton University materials
  66. scientist Ilhan Aksay. "Yet the shell is as strong as the most
  67. advanced man-made ceramics." And if a simple stone-and-mortar
  68. design can turn an intrinsically chalky substance into a tough
  69. coat of armor, exclaims Aksay, just think of what it might do
  70. for materials like aluminum oxide and silicon carbide that are
  71. heat resistant but tend to fracture easily.
  72. </p>
  73. <p>     Metallurgist Ann Van Orden, for her part, is fascinated by the
  74. fibrous structure of rhinoceros horn. "What strikes me about
  75. rhino horn," says Van Orden, "is that it is a natural composite.
  76. Really, it looks just like the material used to make the wings
  77. of a Stealth aircraft!" The benefits that might flow from such
  78. an insight can only be guessed at. Perhaps most intriguing is
  79. the fact that rhino horn is self-healing: capable of repairing
  80. the tiny cracks that come from jousting matches with other rhinos.
  81. "Now imagine a car that could self-heal after a fender bender,"
  82. grins Van Orden mischievously. "There would definitely be a
  83. market for something like that."
  84. </p>
  85. <p>     Of course, no car of the future will be made of rhino horn,
  86. just as no silk spun by spiders is likely be woven into designer
  87. clothes. For starters, it would take 500 to 1,000 spiders to
  88. spin out enough silk for one necktie. "And you probably wouldn't
  89. want to wear a necktie made of spider silk anyway," laughs zoologist
  90. John Gosline of the University of British Columbia. Reason:
  91. when wet, spider silk contracts 50%, a property that, in a necktie
  92. at least, might prove decidedly unpleasant on damp days. Armed
  93. with the tools of molecular biology, however, scientists can
  94. learn how spiders construct their silk and then apply those
  95. lessons to the design of other fibers. "After all," says Gosline,
  96. "we do not aim to copy nature directly, but to adapt her designs
  97. and processes to our own purposes."
  98. </p>
  99. <p>     An inkling of what the future may hold comes from Protein Polymer
  100. Technologies, a small San Diego firm that is attempting to transform
  101. this notion of biomimicry into commercial technology. The company's
  102. first product, intended for use in medical research, is a hybrid
  103. composed of silkworm protein and fibronectin, a blood protein
  104. that promotes cell adhesion. When painted onto plastic sheets,
  105. the hybrid provides a high-quality medium for growing cells
  106. in the lab. Soon the company hopes to add to its product line
  107. other protein-based coatings, including ones that give cheap
  108. polyester the luxurious feel of silk.
  109. </p>
  110. <p>     Biomimetic materials hold particular promise as coatings and
  111. wrappings that increase the body's tolerance of implanted devices.
  112. Eventually these substances may be put to work as nearly natural
  113. replacements for injured ligaments and arteries. University
  114. of Alabama molecular biophysicist Dan Urry, for example, has
  115. succeeded in turning a key segment of the protein elastin, present
  116. in many body tissues, into a material whose expansive and contractile
  117. properties closely approximate those of arterial walls. The
  118. material can be fashioned into tubes that feel, uncannily, like
  119. real blood vessels and also into sheets for encasing mechanical
  120. devices like pacemakers. Tests of this new material in animals
  121. are already under way. At the University of Utah, for example,
  122. veterinary surgeons are preparing to wrap sheets of synthetic
  123. elastin around the artificial hearts they plan to implant into
  124. calves.
  125. </p>
  126. <p>     Producing elastin through chemical synthesis is a tedious process
  127. consuming the better part of three months. But eventually, colonies
  128. of genetically engineered bacteria will be harnessed as factories
  129. to churn out protein building blocks for all sorts of weird
  130. and wonderful materials. Right now, in fact, molecular biologists
  131. are struggling to create lines of bacteria capable of producing
  132. "dragline" silk--the sturdy strands that orb weavers use as
  133. struts to frame their webs. Dragline proteins actually contain
  134. alternating stiff and soft regions, says the University of Wyoming's
  135. Lewis, "sort of like a series of Lego blocks with Slinkys in
  136. between." By tinkering with the spider's genes, Lewis believes,
  137. it may be possible to alter the ratio of Legos to Slinkys, creating
  138. a line of designer silks customized for different uses.
  139. </p>
  140. <p>     Like what, for instance? Well, spiderlike silk might be turned
  141. into a dandy rip-resistant parachute. It might also be fashioned
  142. into high-strength cable for temporary suspension bridges. "Anything
  143. that is light and strong and flexible is potentially of interest
  144. to us," observes David Kaplan, a materials expert at the U.S.
  145. Army's research center in Natick, Massachusetts. Kaplan is also
  146. intrigued by resilin, a springy protein found in cockroach cuticle.
  147. Unlike synthetic rubber, Kaplan notes, resilin does not swell
  148. on contact with organic solvents. Gloves that incorporate this
  149. quality would certainly come as a boon to soldiers who have
  150. to handle large quantities of gasoline and other fuels.
  151. </p>
  152. <p>     To date, it must be acknowledged, biomimicry remains long on
  153. promise and short on accomplishment. "Hype," erupts Pennsylvania
  154. State University materials scientist Rustum Roy. "The whole
  155. damn thing is hype! What does your mother use when she needs
  156. a hip replacement? Titanium. Technology has helped out biology
  157. far more often than the other way around." But Paul Calvert,
  158. a materials scientist at the University of Arizona, believes
  159. that the tide is beginning to be reversed. Man-made ceramics,
  160. Calvert notes, are notoriously brittle and prone to cracking,
  161. whereas biological ceramics like teeth are not. Calvert is trying
  162. to duplicate in titanium oxide the crisscross molecular structure
  163. that gives a rat's tooth its toughness and durability. Whether
  164. or not he succeeds seems almost beside the point. Already, designs
  165. from nature's sketch pad have enlarged the range of useful materials
  166. and enriched the imagination of those working to improve them.
  167. </p>
  168.  
  169. </body>
  170. </article>
  171. </text>
  172.  
  173.