Una telaraña natural. Imagen: josef.stuefer. Fuente: Flickr.
Después de años de escudriñar la compleja estructura y producción de la seda de araña, los investigadores han conseguido producir en el laboratorio muestras de este material excepcionalmente fuerte y resistente.
El nuevo desarrollo podría conducir a una variedad de materiales biomédicos -desde suturas hasta andamiaje para sustituciones de órganos- hechos de seda sintética, con propiedades específicas para su uso. Los resultados han sido publicados esta semana en la revista Nature Communications.
La investigación incluyó una combinación de simulaciones y experimentos. Las nuevas fibras sintéticas se crearon modificando genéticamente bacterias para que fabricaran las proteínas producidas normalmente por las arañas. Estas proteínas fueron extrudidas luego a través de canales de microfluidos diseñados para imitar el efecto de un órgano, llamado hilador, que las arañas utilizan para producir fibras de seda naturales.
Las arañas no pueden criarse para producir fibras en serie, por lo que la fabricación sintética es el único enfoque posible. Las sedas de araña son totalmente biocompatibles y pueden ser utilizadas en el cuerpo sin riesgo de reacciones adversas; en última instancia, simplemente son absorbidas por el cuerpo.
El proceso
En el proceso de síntesis, las proteínas constituyentes disueltas en agua son extrudidas a través de una pequeña abertura a una velocidad controlada, haciendo que las moléculas se alineen de una manera que produce fibras fuertes.
Las moléculas en sí son una mezcla de compuestos hidrófobos e hidrófilos, que se alinean formando fibras más fuertes que los propios componentes. "Cuando se les hace girar, se crean lazos muy fuertes en una dirección", explica Markus Buehler, profesor de ingeniería civil y ambiental, en la información de MIT News Office.
El equipo descubrió que conseguir la mezcla de proteínas correcta era crucial. "Nos dimos cuenta de que cuando había una alta proporción de proteínas hidrofóbicas, las fibras no se hilaban, sino que simplemente se formaba una masa fea", dice Seunghwa Ryu, que trabajó en el proyecto como post-doctorado en el MIT y ahora es profesor en el Instituto Avanzado Coreano de Ciencia y Tecnología. "Teníamos que encontrar la combinación adecuada para producir fibras fuertes".
Simulaciones
Este proyecto representa el primer uso de simulaciones para comprender la producción de seda a nivel molecular. "La simulación es crucial", explica Buehler: La síntesis de una proteína puede durar varios meses; si esa proteína no acaba teniendo exactamente las propiedades adecuadas, el proceso tendría que empezar de nuevo.
Controlar directamente las propiedades en última instancia podría hacer posible crear fibras aún más fuertes que las naturales, porque los ingenieros pueden elegir características para un uso particular. Por ejemplo, mientras que las arañas pueden necesitar elasticidad para que sus redes puedan capturar insectos sin romperse, las fibras diseñadas para usarse como suturas quirúrgicas necesitarían más fuerza y menos elasticidad. "La seda no nos da esa opción", dice Buehler.
El procesamiento del material se puede hacer a temperatura ambiente usando soluciones basadas en agua, por lo que la ampliar la escala de fabricación debería ser relativamente fácil, dicen los miembros del equipo. Hasta el momento, las fibras que han hecho en el laboratorio no son tan fuertes como la seda de araña natural, pero ahora que el proceso básico ha quedado establecido, debería ser posible poner a punto los materiales y mejorar su fuerza, dicen.
El nuevo desarrollo podría conducir a una variedad de materiales biomédicos -desde suturas hasta andamiaje para sustituciones de órganos- hechos de seda sintética, con propiedades específicas para su uso. Los resultados han sido publicados esta semana en la revista Nature Communications.
La investigación incluyó una combinación de simulaciones y experimentos. Las nuevas fibras sintéticas se crearon modificando genéticamente bacterias para que fabricaran las proteínas producidas normalmente por las arañas. Estas proteínas fueron extrudidas luego a través de canales de microfluidos diseñados para imitar el efecto de un órgano, llamado hilador, que las arañas utilizan para producir fibras de seda naturales.
Las arañas no pueden criarse para producir fibras en serie, por lo que la fabricación sintética es el único enfoque posible. Las sedas de araña son totalmente biocompatibles y pueden ser utilizadas en el cuerpo sin riesgo de reacciones adversas; en última instancia, simplemente son absorbidas por el cuerpo.
El proceso
En el proceso de síntesis, las proteínas constituyentes disueltas en agua son extrudidas a través de una pequeña abertura a una velocidad controlada, haciendo que las moléculas se alineen de una manera que produce fibras fuertes.
Las moléculas en sí son una mezcla de compuestos hidrófobos e hidrófilos, que se alinean formando fibras más fuertes que los propios componentes. "Cuando se les hace girar, se crean lazos muy fuertes en una dirección", explica Markus Buehler, profesor de ingeniería civil y ambiental, en la información de MIT News Office.
El equipo descubrió que conseguir la mezcla de proteínas correcta era crucial. "Nos dimos cuenta de que cuando había una alta proporción de proteínas hidrofóbicas, las fibras no se hilaban, sino que simplemente se formaba una masa fea", dice Seunghwa Ryu, que trabajó en el proyecto como post-doctorado en el MIT y ahora es profesor en el Instituto Avanzado Coreano de Ciencia y Tecnología. "Teníamos que encontrar la combinación adecuada para producir fibras fuertes".
Simulaciones
Este proyecto representa el primer uso de simulaciones para comprender la producción de seda a nivel molecular. "La simulación es crucial", explica Buehler: La síntesis de una proteína puede durar varios meses; si esa proteína no acaba teniendo exactamente las propiedades adecuadas, el proceso tendría que empezar de nuevo.
Controlar directamente las propiedades en última instancia podría hacer posible crear fibras aún más fuertes que las naturales, porque los ingenieros pueden elegir características para un uso particular. Por ejemplo, mientras que las arañas pueden necesitar elasticidad para que sus redes puedan capturar insectos sin romperse, las fibras diseñadas para usarse como suturas quirúrgicas necesitarían más fuerza y menos elasticidad. "La seda no nos da esa opción", dice Buehler.
El procesamiento del material se puede hacer a temperatura ambiente usando soluciones basadas en agua, por lo que la ampliar la escala de fabricación debería ser relativamente fácil, dicen los miembros del equipo. Hasta el momento, las fibras que han hecho en el laboratorio no son tan fuertes como la seda de araña natural, pero ahora que el proceso básico ha quedado establecido, debería ser posible poner a punto los materiales y mejorar su fuerza, dicen.
Aplicaciones
Este estudio podría inspirar el desarrollo de nuevas fibras sintéticas, o cualquier material que requiera propiedades mejoradas, para el transporte eléctrico y térmico, por ejemplo. La idea es aumentar la fuerza y robustez sin aumentar el peso. El impacto podría ser particularmente importante para la industria aeroespacial y las aplicaciones industriales, donde ahorrar peso es esencial, dicen los autores.
La Sociedad Americana de Química señaló hace un año los avances que se están produciendo en este campo, apuntando a que los científicos estaban utilizando incluso alfalfa para producir materiales sintéticos parecidos a las telarañas, para usos como cosméticos (en este caso, una seda no-fibrosa).
En España
Recientemente, investigadores de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) ha conseguido producir una fibra de seda de araña también muy resistente. Bautizada como hijuela de araña, tiene un diámetro notablemente mayor que el de la fibra natural, lo que maximiza la carga que puede resistir antes de romperse.
Su fabricación está inspirada en la producción de la hijuela, un hilo muy resistente de seda de gusano que comenzó a fabricarse en la región de Murcia en el siglo XIX. Los científicos extrajeron las glándulas sericígenas de arañas de la especie Nephila inaurata, originaria de regiones del sur de África y Madagascar. Al deformar estas glándulas en un medio ácido, pudieron obtener fibras con diámetros notablemente mayores a los naturales, y lograron optimizar las condiciones para maximizar la resistencia de las fibras.
Además de uso biosanitario, las fibras de este tipo podrían emplearse en la fabricación de chalecos antibalas o materiales de protección y elementos de seguridad vial (como vallas, parachoques, etc.), gracias a la capacidad de la seda de araña para absorber grandes cantidades de energía mecánica antes de su fractura.
Este estudio podría inspirar el desarrollo de nuevas fibras sintéticas, o cualquier material que requiera propiedades mejoradas, para el transporte eléctrico y térmico, por ejemplo. La idea es aumentar la fuerza y robustez sin aumentar el peso. El impacto podría ser particularmente importante para la industria aeroespacial y las aplicaciones industriales, donde ahorrar peso es esencial, dicen los autores.
La Sociedad Americana de Química señaló hace un año los avances que se están produciendo en este campo, apuntando a que los científicos estaban utilizando incluso alfalfa para producir materiales sintéticos parecidos a las telarañas, para usos como cosméticos (en este caso, una seda no-fibrosa).
En España
Recientemente, investigadores de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) ha conseguido producir una fibra de seda de araña también muy resistente. Bautizada como hijuela de araña, tiene un diámetro notablemente mayor que el de la fibra natural, lo que maximiza la carga que puede resistir antes de romperse.
Su fabricación está inspirada en la producción de la hijuela, un hilo muy resistente de seda de gusano que comenzó a fabricarse en la región de Murcia en el siglo XIX. Los científicos extrajeron las glándulas sericígenas de arañas de la especie Nephila inaurata, originaria de regiones del sur de África y Madagascar. Al deformar estas glándulas en un medio ácido, pudieron obtener fibras con diámetros notablemente mayores a los naturales, y lograron optimizar las condiciones para maximizar la resistencia de las fibras.
Además de uso biosanitario, las fibras de este tipo podrían emplearse en la fabricación de chalecos antibalas o materiales de protección y elementos de seguridad vial (como vallas, parachoques, etc.), gracias a la capacidad de la seda de araña para absorber grandes cantidades de energía mecánica antes de su fractura.
Referencia bibliográfica:
Shangchao Lin, Seunghwa Ryu, Olena Tokareva, Greta Gronau, Matthew M. Jacobsen, Wenwen Huang, Daniel J. Rizzo, David Li, Cristian Staii, Nicola M. Pugno, Joyce Y. Wong, David L. Kaplan, Markus J. Buehler: Predictive modelling-based design and experiments for synthesis and spinning of bioinspired silk fibres. Nature Communications (2015). DOI: 10.1038/ncomms7892.
Shangchao Lin, Seunghwa Ryu, Olena Tokareva, Greta Gronau, Matthew M. Jacobsen, Wenwen Huang, Daniel J. Rizzo, David Li, Cristian Staii, Nicola M. Pugno, Joyce Y. Wong, David L. Kaplan, Markus J. Buehler: Predictive modelling-based design and experiments for synthesis and spinning of bioinspired silk fibres. Nature Communications (2015). DOI: 10.1038/ncomms7892.