Gusanos de seda transgénicos hacen que la seda de araña sea 6 veces más resistente que el Kevlar

Gusanos de seda transgénicos hacen que la seda de araña sea 6 veces más resistente que el Kevlar

Marca de tiempo: 26 de septiembre de 2023 1:00 p.m.
Los gusanos de seda transgénicos hacen girar la seda de araña 6 veces más fuerte que Kevlar PlatoBlockchain Data Intelligence. Búsqueda vertical. Ai.

El otro día me lancé de cabeza en una telaraña mientras dormía dentro de mi furgoneta camper.

Gritos aparte, la parte lógica de mí se maravilló de lo rápido que un solo bicho había tejido una red tan intrincada (y sorprendentemente elástica y resistente) en solo unas pocas horas.

La seda de araña es una maravilla natural. Es resistente y resiste daños pero también es muy flexible. Ligera, resistente y biodegradable, la seda se puede utilizar para cualquier cosa, desde suturas quirúrgicas hasta chalecos antibalas.

¿Por qué no produciríamos más de estas sedas para el consumo humano? Las arañas son terribles máquinas de fabricación biológica. Dejando a un lado el factor espeluznante, son muy combativos: junte unos cientos y pronto se quedará con un puñado de vencedores y muy poco producto.

Sin embargo, gracias a la ingeniería genética, es posible que ahora tengamos una manera de prescindir por completo de las arañas en la fabricación de seda de araña.

In un estudio Publicado la semana pasada, un equipo de la Universidad Donghua en China utilizó CRISPR para crear gusanos de seda genéticamente modificados que pueden producir seda de araña. Las hebras resultantes son más resistentes que el Kevlar, un componente sintético utilizado en los chalecos antibalas. En comparación con los materiales sintéticos, esta seda de araña es una alternativa mucho más biodegradable que puede ampliarse fácilmente para su producción.

El Dr. Justin Jones de la Universidad Estatal de Utah, que no participó en el estudio, dio su aprobación al nuevo tejido. El material resultante es “una fibra de muy alto rendimiento”, afirmó. dijo a Ciencia:.

Mientras tanto, para los autores, su estrategia no se limita a la seda de araña. El estudio descubrió varios principios biofísicos para la construcción de materiales de seda con una resistencia y flexibilidad excepcionales.

Una mayor experimentación podría potencialmente producir textiles de próxima generación más allá de las capacidades actuales.

De gusanos, artrópodos e historia

La naturaleza ofrece una gran fuente de inspiración para materiales de vanguardia.

Tomemos como ejemplo el velcro, el material de velcro con el que puedes colgar las toallas del baño o asegurar los zapatos de tus hijos. El material omnipresente era concebido por primera vez por el ingeniero suizo George de Mestral en la década de 1940 cuando intenta quitarse las rebabas de los pantalones después de una caminata. Una mirada más detallada bajo el microscopio mostró que las rebabas tenían ganchos afilados que enganchaban bucles en la tela. De Mestral convirtió la molestia del senderismo en el tejido de velcro disponible hoy en día en todas las ferreterías.

Un ejemplo menos espinoso es la seda. Primero cultivado por la antigua China. hace aproximadamente 5,000 años, la seda se hila a partir de gusanos de seda retorcidos y rotundos y se hila para formar telas utilizando telares primitivos. Estas delicadas sedas se extendieron por todo el este de Asia y hacia el oeste, ayudando a establecer la legendaria Ruta de la Seda.

Sin embargo, como sabrá cualquiera que haya tenido una prenda o sábanas de seda, estos son materiales increíblemente delicados que se rasgan y rompen fácilmente.

Los desafíos que enfrentamos con la seda de gusanos de seda son compartidos por la mayoría de los materiales.

Un problema es la resistencia: cuánto estiramiento puede soportar un material con el tiempo. Imagínese tirar de un suéter ligeramente encogido después de lavarlo. Cuanta menos resistencia tengan las fibras, es menos probable que la prenda mantenga su forma. El otro problema es la dureza. En pocas palabras, es cuánta energía puede absorber un material antes de descomponerse. Un suéter viejo fácilmente hará agujeros con solo un tirón. Por otro lado, el Kevlar, un material a prueba de balas, literalmente puede recibir balas.

Desafortunadamente, las dos propiedades son mutuamente excluyentes en los materiales de ingeniería actuales, afirmó el equipo.

La naturaleza, sin embargo, tiene una solución: la seda de araña es fuerte y resistente. El problema es conseguir que los artrópodos produzcan seda en un entorno seguro y eficaz. Estos animales son depredadores feroces. Cien gusanos de seda en cautiverio pueden acurrucarse en paz; Si se juntan cien arañas, se producirá un baño de sangre del que sólo quedarán vivas una o dos.

Un útero de gusano araña

¿Y si pudiéramos combinar lo mejor de los gusanos de seda y las arañas?

Los científicos tienen mucho tiempo quería ingeniero un “conocer-lindo” fecha para las dos especies con la ayuda de la ingeniería genética. No, no es una comedia romántica entre especies. La idea principal es dotar genéticamente a los gusanos de seda de la capacidad de producir seda de araña.

Pero los genes que codifican las proteínas de la seda de araña son grandes. Esto hace que sea difícil introducirlos en el código genético de otras criaturas sin abrumar a las células naturales y provocar que fallen.

Aquí, el equipo utilizó por primera vez un método computacional para buscar la estructura mínima de la seda. El modelo resultante mapeó las diferencias de proteínas de seda entre gusanos de seda y arañas. Afortunadamente, ambas especies tejen fibras a partir de estructuras proteicas similares, llamadas fibras de poliamida, aunque cada una se basa en componentes proteicos diferentes.

Otra suerte es la anatomía compartida. "Las glándulas de seda de los gusanos de seda domésticos y las glándulas de seda de las arañas exhiben ambientes físicos y químicos notablemente similares", dijo el equipo.

Utilizando el modelo, identificaron un componente crítico que aumenta la fuerza y ​​dureza de la seda: una proteína de seda relativamente pequeña, MiSp, que se encuentra en Araneus ventricoso arañas del este de Asia.

Con CRISPR-Cas9, una herramienta de edición de genes, el equipo luego agregó genes que codifican MiSp en gusanos de seda, esencialmente reajustándolos para hilar seda de araña. Lograr esto fue una pesadilla tecnológica, que requirió cientos de miles de microinyecciones en huevos de gusanos de seda fertilizados para editar sus glándulas que hilan la seda. Como prueba de cordura, el equipo también añadió un gen que hacía que los ojos de los gusanos de seda brillaran de un rojo inquietante, lo que indicaba el éxito.

Autor del estudio Junpeng Mi “bailó y prácticamente corrió hacia” el consultorio del autor principal, el Dr. Meng Qing. “Recuerdo vívidamente esa noche, ya que la emoción me mantuvo despierto”, dijo Mi.

Las sedas de gusano-araña resultantes son aproximadamente seis veces más duras que el Kevlar, pero aún así flexibles. Es sorprendente, dijo Jones, porque las fibras que usan MiSp no siempre son elásticas. Como beneficio adicional, los gusanos de seda también rociaron naturalmente una especie de capa protectora para fortalecer las fibras. Esto los hizo potencialmente más durable que la anterior seda de araña hecha artificialmente.

El equipo está explorando más a fondo su modelo computacional para diseñar seda biológicamente compatible para suturas médicas. Más allá de eso, esperan volverse más creativos. Los biólogos sintéticos llevan mucho tiempo queriendo desarrollar aminoácidos artificiales (las piezas moleculares que forman las proteínas). ¿Qué pasaría si añadiéramos aminoácidos sintéticos a los tejidos biodegradables?

"La introducción de más de cien aminoácidos diseñados tiene un potencial ilimitado para las fibras de seda de araña", dijo Mi.

Crédito de la imagen: Junpeng Mi, Facultad de Ciencias Biológicas e Ingeniería Médica, Universidad Donghua, Shanghai, China

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