(Seta di ragno-Immagine: un tessitore di sfere d’oro, noto anche come ragno banana, tesse la sua tela per catturare la preda. Gli scienziati hanno usato il DNA di questa specie per insegnare ai batteri a creare fili di seta super resistenti.Credito: WESTEND61/GETTY IMAGES PLUS).
Gli scienziati hanno a lungo sognato di realizzare seta di ragno sintetica e trasformarla in tutti i tipi di materiali leggeri, dai tessuti super resistenti ai fili chirurgici alle fibre muscolari. Ma mentre fare la seta può essere facile per i ragni, si è dimostrato molto difficile per gli ingegneri. Ora un gruppo di scienziati pensa di esserci finalmente riuscito. Il loro trucco: chiedere l’aiuto dei batteri.
La seta artificiale risultante è più forte e più resistente di quella che possono fare alcuni ragni.
“Per la prima volta, possiamo riprodurre non solo ciò che la natura può fare, ma andare oltre ciò che può fare la seta naturale”, afferma Jingyao Li che è uno degli ingegneri chimici che ha lavorato al prodotto.
Il suo team alla Washington University di St. Louis, Mo., ha pubblicato la ricerca nell’ACS Nano del 27 luglio.
I nanocristalli sono la chiave per sete forti
Le proteine sono le molecole complesse che danno agli esseri viventi la loro struttura e funzione. Le proteine della seta di un ragno, chiamate spidroine, si formano nel suo addome come un liquido denso. Filiere, parti del corpo sull’estremità posteriore del ragno, fanno girare il liquido in lunghi fili. Le molecole di proteine della seta sono disposte in una struttura stretta e ripetitiva chiamata nanocristallo. Con una larghezza di pochi miliardesimi di metro (iarda), questi cristalli sono la fonte della forza della seta di ragno. Più nanocristalli in una fibra, più forte sarà il filo di seta.
Un problema comune che gli scienziati hanno dovuto affrontare è la creazione di fibre con nanocristalli sufficienti per formare la seta. Li spiega: “Ciò che accade nella ghiandola della seta del ragno è piuttosto complesso e super delicato, difficile da riprodurre completamente”.
Alcuni anni fa, un collega ricercatore ha fuso due serie di proteine spidroina. Questo ha creato una struttura con molti nanocristalli. Il team di Li sapeva anche che una particolare proteina, l’amiloide (AM-ih-loyd), può aumentare la produzione di cristalli. Li e il suo capo alla Washington University, Fuzhong Zhang, si chiedevano se potevano combinare l’amiloide con la spidroina per creare una proteina ibrida molto lunga che si sarebbe prontamente modellata in nanocristalli. Hanno chiamato questo ibrido un polimero di proteina amiloide.
I polimeri sono molecole simili a catene costituite da collegamenti ripetuti. I batteri comuni producono proteine da anni nei laboratori scientifici. Li paragona i microbi a “piccole fabbriche” di proteine. Il suo team ha deciso di sfruttare questi microbi unicellulari per creare la sua proteina ibrida.
Il DNA è il codice genetico che conferisce a tutti gli individui i loro tratti. I ricercatori hanno iniziato inserendo un pezzo di DNA estraneo nei batteri. Il team ha scelto di lavorare con Escherichia coli, un batterio comune che si trova nell’ambiente e nell’intestino umano.
Per quel DNA, gli ingegneri si sono rivolti alla tessitrice di sfere dorate ( Trichonephila clavipes ). È anche conosciuto come ragno banana o ragno della seta dorata. Queste femmine tessono alcune delle più grandi ragnatele nelle foreste del sud degli Stati Uniti. La seta dragline che sostiene le loro tele sembra essere un filo interdentale delicato. Ma è più forte ed elastico dell’acciaio. Questa rete deve essere abbastanza resistente da contenere qualsiasi preda di insetto che cattura.
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Partendo dal DNA del ragno, i ricercatori lo hanno leggermente modificato in laboratorio prima di inserirlo nei batteri. In seguito, come sperato, questo microbo ha creato la proteina ibrida. Quindi i ricercatori l’hanno trasformata in polvere. “Quando è agglomerato, questa polvere sembra e si sente come zucchero filato bianco”, dice Li.
Filare la fibra e testarne la forza
Gli scienziati non possono ancora copiare l’azione di tesatura delle ragnatele delle filiere di un ragno. Quindi adottano un approccio diverso. Innanzitutto, dissolvono la polvere proteica in una soluzione. Questo imita la seta liquida nell’addome di un ragno. Quindi spingono quella soluzione attraverso un foro sottile in una seconda soluzione. Questo fa sì che i mattoni della proteina si pieghino e si dispongano in fibre.
Per testare la loro forza, gli ingegneri hanno tirato le fibre finché non si sono rotte. Hanno anche registrato per quanto tempo una fibra si è allungata prima di spezzarsi. Questa capacità di allungarsi significava che le fibre erano resistenti. E la nuova seta ibrida batte alcune sete di ragno naturali sia in forza che in robustezza.
Realizzare la seta sintetica “è più facile e richiede meno tempo rispetto ai processi precedenti”, riferisce ora Li. E con sua sorpresa, “I batteri potrebbero produrre proteine più grandi di quanto ci aspettassimo”. La seta di ragno naturale può avere fino a 96 nanocristalli ripetuti. L’ E. coli ha prodotto un polimero proteico avente 128 nanocristalli ripetuti. “Era simile alla struttura amiloide trovata nella seta di ragno naturale”, dice Zhang, “ma anche più forte”.
I polimeri più lunghi, con più parti interconnesse, tendono a creare una fibra più difficile da piegare o rompere. “In questo caso”, dice Li, “ha proprietà meccaniche migliori della spidroina naturale”.
Li e Zhang immaginano un giorno di trasformare la loro seta in tessuti o addirittura in fibre muscolari artificiali. Per ora, hanno in programma di testare altri tipi di proteine amiloidi nella produzione della seta. Ogni nuovo design di proteine potrebbe avere proprietà utili. E, aggiunge Li: “Ci sono centinaia di amiloidi che non abbiamo ancora provato. Quindi c’è spazio per le innovazioni”.
