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Fabricación de materiales resistentes a las arañas
Los investigadores han estado tratando de fabricar seda de araña artificial, un material liviano y más resistente que el acero que podría tener innumerables aplicaciones industriales, durante décadas. En un paso importante hacia ese objetivo, los investigadores de la Universidad de Tufts han creado microbios modificados genéticamente que producen más de las proteínas necesarias para producir seda de araña que nunca.
Seda microbiana: Esta fibra está hecha de proteínas de seda de araña de alta calidad producidas por bacterias modificadas genéticamente.
La seda de la dragalina, el tipo que usan las arañas para los bordes y radios de sus telas, es más resistente y mucho más liviana que el acero. Las bacterias manipuladas pueden producir las proteínas necesarias para sintetizar esta seda, que se hila para formar fibras. Sin embargo, los esfuerzos anteriores para hacer seda de araña usando bacterias se han paralizado por varias razones. Primero, los investigadores han tenido una imagen incompleta de la secuencia del gen de la seda de la dragalina. Y en segundo lugar, han tenido un éxito limitado en la modificación de las bacterias para producir suficientes proteínas.
David Kaplan , presidente del departamento de ingeniería biomédica de la Universidad de Tufts, ha sido pionera en la aplicación de seda de gusano de seda en dispositivos médicos, productos electrónicos biodegradables, dispositivos ópticos y adhesivos. Él cree que la seda de araña, que es más fuerte que la variedad del gusano de seda, podría abrir nuevas aplicaciones, pero dice: No se ha explorado tanto porque no hemos tenido suficiente material. Las arañas son agresivas y territoriales y, por lo tanto, no se pueden cultivar como gusanos de seda.
Los bioingenieros solo han tenido un éxito modesto en lograr que los microbios produzcan proteínas de seda de araña. Gigante químico DuPont intentó sin éxito desarrollar un producto de seda producido por bacterias en la década de 1990. Parte del problema es que la seda de araña está hecha de una proteína muy grande con una secuencia genética muy repetitiva, lo que dificulta la decodificación, dice Christopher Voigt , profesor de química farmacéutica en la Universidad de California, San Francisco.
El año pasado, los investigadores que utilizaron nuevas tecnologías de secuenciación produjeron la primera secuencia genética completa para la seda de araña. Antes de eso, los investigadores se vieron obligados a usar genes de seda truncados, y las fibras fabricadas con estos genes no eran tan fuertes y resistentes como la seda natural.
Incluso con la secuencia completa del gen de la seda de la dragalina, producir seda artificial es un desafío. Hacer suficiente proteína requiere una mayor cantidad de material de partida que la que contienen las bacterias de forma natural. Trabajando con investigadores del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea en Daejeon y la Universidad Nacional de Seúl, Kaplan agregó el gen de seda completo a E. coli y luego alteró la vía de producción de proteínas de la bacteria para que produzca cantidades suficientes de los aminoácidos necesarios para permitir la producción de seda. Anteriormente, las bacterias modificadas genéticamente solo podían producir decenas de miligramos de proteína por litro. De Kaplan E. coli rendimiento de uno a dos gramos por litro.
Han demostrado claramente que E. coli puede producir estas proteínas grandes, y las diseñó para tener los recursos para hacerlo, dice Randy Lewis , profesor de biología molecular en la Universidad de Wyoming. Lewis predice que será posible utilizar un sistema bacteriano para producir cantidades de kilogramos de seda de araña artificial en unos pocos años.
Kaplan dice que ese es su plan. Nos gustaría convertirlo en un proceso de producción continuo, dice.
Kaplan dice que lo que se necesita ahora son métodos más eficientes desde el punto de vista energético para convertir las proteínas en fibras. Utilizando métodos de hilado similares a los que se utilizan para fabricar fibras poliméricas como el poliéster, su grupo ha creado fibras a partir de las proteínas del equipo con propiedades comparables a la seda de dragalina natural en términos de resistencia, elasticidad y tenacidad. Sin embargo, debido a que las proteínas de la seda de araña son delicadas e insolubles en agua, convertirlas en fibras requiere un procesamiento a alta temperatura y solventes fuertes.
Las fibras requieren una gran cantidad de energía para ensamblarse, dice Kaplan. Los científicos de materiales quisieran fabricar fibras de seda como lo hacen las arañas: a temperatura ambiente, sin disolventes agresivos.
Un enfoque novedoso del problema está siendo perseguido por Luke Lee , director del centro de nanotecnología molecular de la Universidad de California, Berkeley. Está diseñando sistemas de hilado que incorporan canales de microfluidos diseñados para proporcionar los gradientes de sal y solvente que se encuentran en las glándulas de araña. Una empresa llamada Materiales refactorizados , fundada por estudiantes de Lee y Voigt, también está trabajando en el problema del hilado.