Decodificando la red de proteínas en la seda de araña

Smás fuerte que el acero Y más ecológica que el plástico, la seda de araña es una sustancia atractiva para los científicos de materiales.¹ Sin embargo, los investigadores saben poco sobre las proteínas que lo componen y cómo se unen para producir fibras resistentes, lo que lo hace Un desafío para diseñar un polímero sintético..² “La seda de araña artificial que creamos en el laboratorio no es tan buena en términos de propiedades mecánicas como la seda que produce una araña”, dice Johan Reimegardbioinformático de la Universidad de Uppsala.

En un estudio reciente en Avances científicosReimegård y sus colegas caracterizaron cómo las arañas tejen su seda, revelando que zonas separadas de la glándula de la seda Secretar diferentes proteínas. sobre las fibras en capas.³ Sus descubrimientos sobre la estrategia de las arañas para tejer la seda podrían mejorar las sedas artificiales.

Los investigadores no saben lo suficiente sobre la estructura y composición de la seda de araña para comprender por qué posee propiedades mecánicas tan superiores. En busca de respuestas, Reimegård y su equipo recurrieron a una especie de araña local: la araña puente sueca (Larinioides sclopetarius). “Especialmente en Uppsala, donde se ha realizado la mayor parte de esta investigación, si pasas un puente durante el verano y el otoño, encontrarás cientos de ellos”, dijo Reimegård.

Los investigadores comenzaron secuenciando el genoma de la araña para recuperar todos sus genes codificadores de proteínas. A continuación, necesitaban determinar qué genes eran importantes para la producción de seda de araña, pero la araña puente sueca produce ocho variedades de seda. Para limitar su investigación, se centraron en el tipo principal de seda, que forma los hilos radiales de la red. Utilizando espectrometría de masas, el equipo identificó 18 proteínas en las principales fibras de seda, incluidas seis que no estaban previamente vinculadas a la seda de araña.

Aunque el equipo identificó los ingredientes proteicos de la fibra, carecían de la receta para producir la seda. En las arañas, la seda se forma viajando a través de una glándula larga con forma de tubo, por lo que los investigadores plantearon la hipótesis de que las células ubicadas en zonas separadas de la glándula secretan diferentes proteínas, de manera similar a cómo las fábricas construyen productos sumando partes en una secuencia a medida que avanzan. una cinta transportadora. Utilizando la secuenciación de ARN unicelular, Reimegård y su equipo descubrieron que las células ubicadas al comienzo de la glándula secretan diferentes proteínas de las células en las zonas posteriores, lo que sugiere que las proteínas se mezclan con la seda en diferentes etapas de producción.

“La ubicación de la expresión de esas proteínas está altamente compartimentada, lo que nunca se afirmó con firmeza en publicaciones anteriores”, dijo Kazuharu Arakawabiólogo de sistemas de la Universidad de Keio que no participó en el trabajo. “Eso podría ser evidencia de que las sedas tienen capas”.

Para explorar más a fondo las capas de proteínas, el equipo trató las fibras con diferentes concentraciones de urea, una producto químico decapante de proteínas.⁴ Mientras que las dosis bajas provocaron que solo unas pocas proteínas se separaran y se disolvieran, las dosis más altas provocaron que más proteínas se separaran de las fibras. Arakawa advirtió que el experimento de la urea sólo proporcionó evidencia indirecta de la formación de capas de proteínas. Sostuvo que futuros experimentos deberían intentar observar directamente estas capas capturando secciones transversales de seda mediante microscopía electrónica.

Los investigadores esperan que algún día la seda de araña artificial pueda sustituir a los materiales no renovables, como el acero o el Kevlar. Por ejemplo, los bioingenieros han utilizado seda de araña para sutura a nivel celular.⁵ “Si se corta un nervio y luego se une con seda de araña, puede volver a crecer”, señaló Reimegård.

La seda de araña también puede servir como una alternativa sostenible en el fabricacion de plasticos.⁶ “El sesenta por ciento de la moda rápida actual utiliza nailon o poliéster, que están compuestos de petróleo, por lo que forman microplásticos en la lavadora, y esos microplásticos eventualmente fluyen hacia el océano”, dijo Arakawa. La seda de araña podría disminuir la demanda de petróleo y usarse para crear plásticos biodegradables que contaminen menos los ambientes oceánicos, señaló. Además, debido a sus propiedades de absorción de impactos, Arakawa sugirió que los ingenieros podrían incorporarlo en los automóviles para reducir los daños durante los choques o usarlo para proteger las pantallas de los teléfonos.

Los resultados de la investigación han dado al equipo de Reimegård varias ideas sobre cómo mejorar las sedas artificiales. “[We want] “Para ver qué sucede si mezclamos o agregamos algunas de las proteínas que descubrimos en la seda de araña artificial y vemos cómo eso afecta las propiedades mecánicas”, dijo Reimegård. Otro factor a considerar es el efecto de capas. “Nos gustaría hilar seda de araña artificial que contenga múltiples capas para mejorar nuestras propiedades mecánicas”, añadió. Sin embargo, Reimegård señaló que todavía no están seguros de qué cantidad de cada ingrediente se necesita para hilar su seda artificial. Para futuras investigaciones, Arakawa sugirió comparar diferentes fibras de seda de múltiples especies para encontrar otras ideas para mejorar la receta.

Divulgación de conflictos de intereses: Johan Reimegård es inventor en una solicitud de patente (número de serie SE 2450315-3) para sedas artificiales relacionadas con el trabajo de este estudio. Kazuharu Arakawa fue el oponente de la defensa de la tesis del primer autor Sumalata Sonavane.