I bachi da seta transgenici filano la seta del ragno 6 volte più resistente del Kevlar

I bachi da seta transgenici filano la seta del ragno 6 volte più resistente del Kevlar

Timestamp: 26 settembre 2023 1:00
I bachi da seta transgenici filano la seta del ragno 6 volte più resistente del Kevlar PlatoBlockchain Data Intelligence. Ricerca verticale. Ai.

L'altro giorno mi sono tuffato a capofitto in una ragnatela mentre dormivo nel mio camper.

Urla a parte, la parte logica di me si meravigliava della velocità con cui un singolo animale strisciante aveva tessuto una rete così intricata - e sorprendentemente rimbalzante e resistente - in poche ore.

La seta del ragno è una meraviglia naturale. È duro e resiste ai danni ma è anche altamente flessibile. Leggera, resistente e biodegradabile, la seta può essere utilizzata per qualsiasi cosa, dalle suture chirurgiche ai giubbotti antiproiettile.

Perché non dovremmo produrre più di queste sete per il consumo umano? I ragni sono terribili macchine per la produzione biologica. Fattore inquietante a parte, sono molto combattivi: metti insieme qualche centinaio e presto ti ritroverai con una manciata di vincitori e pochissimo prodotto.

Grazie all’ingegneria genetica, tuttavia, ora potremmo avere un modo per eliminare del tutto i ragni nella produzione della seta di ragno.

In uno studio pubblicato la scorsa settimana, un team dell’Università di Donghua in Cina ha utilizzato CRISPR per creare bachi da seta geneticamente modificati in grado di produrre seta di ragno. I fili risultanti sono più resistenti del Kevlar, un componente sintetico utilizzato nei giubbotti antiproiettile. Rispetto ai materiali sintetici, la seta di ragno è un’alternativa molto più biodegradabile che può essere facilmente ridimensionata per la produzione.

Il dottor Justin Jones della Utah State University, che non è stato coinvolto nello studio, ha dato un cenno di approvazione alla nuova trama. Il materiale risultante è "una fibra davvero ad alte prestazioni", dice disse a Scienze.

Nel frattempo, secondo gli autori, la loro strategia non si limita alla seta del ragno. Lo studio ha scoperto diversi principi biofisici per la costruzione di materiali di seta dotati di resistenza e flessibilità eccezionali.

Ulteriori sperimentazioni potrebbero potenzialmente produrre tessuti di prossima generazione oltre le capacità attuali.

Di vermi, artropodi e storia

La natura offre una ricchezza di ispirazione per materiali all’avanguardia.

Prendi il Velcro, il materiale a strappo che potrebbe essere utilizzato per appendere gli asciugamani del bagno o fissare le scarpe di tuo figlio. Il materiale onnipresente era concepito per la prima volta dall'ingegnere svizzero George de Mestral negli anni '1940 quando cerca di togliersi le sbavature dai pantaloni dopo un'escursione. Un ulteriore esame al microscopio ha mostrato che le bave avevano uncini affilati che si impigliavano nel tessuto. De Mestral ha trasformato il fastidio dell'escursionismo nel tessuto a strappo disponibile oggi in tutti i negozi di ferramenta.

Un esempio meno spinoso è la seta. Coltivato per la prima volta dall'antica Cina circa 5,000 anni fa, la seta viene filata da bachi da seta contorti e rotondi e filata in tessuti utilizzando telai primitivi. Queste delicate sete si diffusero in tutta l'Asia orientale e in Occidente, contribuendo a stabilire la leggendaria Via della Seta.

Eppure, come saprà chiunque abbia posseduto un indumento o delle lenzuola di seta, si tratta di materiali incredibilmente delicati che si strappano e si rompono facilmente.

Le sfide che affrontiamo con la seta del baco da seta sono condivise dalla maggior parte dei materiali.

Un problema è la resistenza: quanto allungamento un materiale può sopportare nel tempo. Immagina di strappare un maglione leggermente rimpicciolito dopo il lavaggio. Minore è la resistenza delle fibre, minore è la probabilità che l'indumento mantenga la sua forma. L'altro problema è la tenacità. In poche parole, è la quantità di energia che un materiale può assorbire prima di rompersi. Un vecchio maglione si forerà facilmente con un semplice strattone. D’altro canto il Kevlar, un materiale antiproiettile, può letteralmente assorbire i proiettili.

Sfortunatamente, nei materiali ingegnerizzati di oggi, le due proprietà si escludono a vicenda, ha affermato il team.

La natura, tuttavia, ha una soluzione: la seta del ragno è forte e resistente. Il problema è riuscire a far sì che gli artropodi producano la seta in un ambiente sicuro ed efficace. Questi animali sono predatori feroci. Un centinaio di bachi da seta in cattività possono coccolarsi in pace; metti insieme un centinaio di ragni e ottieni un bagno di sangue di cui solo uno o due rimangono vivi.

Un grembo di ragno-verme

E se potessimo unire il meglio dei bachi da seta e dei ragni?

Gli scienziati hanno desideravo da tempo ingegnere un "incontrare-carino” data per le due specie con l'aiuto dell'ingegneria genetica. No, non è una commedia romantica tra specie diverse. L'idea principale è quella di dotare geneticamente i bachi da seta della capacità di produrre seta di ragno.

Ma i geni che codificano per le proteine ​​della seta del ragno sono grandi. Ciò li rende difficili da inserire nel codice genetico di altre creature senza sopraffare le cellule naturali e causarne il fallimento.

Qui, il team ha utilizzato per la prima volta un metodo computazionale per individuare la struttura minima della seta. Il modello risultante ha mappato le differenze di proteine ​​della seta tra bachi da seta e ragni. Fortunatamente, entrambe le specie filano fibre da strutture proteiche simili, chiamate fibre di poliammide, sebbene ciascuna sia basata su componenti proteici diversi.

Un altro pizzico di fortuna è l’anatomia condivisa. "Le ghiandole della seta dei bachi da seta domestici e quelle dei ragni presentano ambienti fisici e chimici notevolmente simili", ha affermato il team.

Utilizzando il modello, hanno identificato un componente critico che aumenta la forza e la tenacità della seta: una proteina della seta relativamente piccola, MiSp, presente Araneus ventricosus ragni dell'Asia orientale.

Con CRISPR-Cas9, uno strumento di editing genetico, il team ha poi aggiunto i geni che codificano per MiSp nei bachi da seta, essenzialmente riorganizzandoli per filare la seta del ragno. Realizzare questo è stato un incubo tecnologico, che richiedeva centinaia di migliaia di microiniezioni nelle uova fecondate del baco da seta per modificare le loro ghiandole che filano la seta. Come controllo di sanità mentale, il team ha anche aggiunto un gene che faceva brillare gli occhi dei bachi da seta di un rosso inquietante, segnalando il successo.

Autore dello studio Junpeng Mi “ha ballato e praticamente è corso” verso l'ufficio del dottor Meng Qing, l'autore principale. "Ricordo vividamente quella notte, poiché l'eccitazione mi teneva sveglio", ha detto Mi.

Le sete di verme-ragno risultanti sono circa sei volte più resistenti del Kevlar ma comunque flessibili. È sorprendente, ha detto Jones, perché le fibre che utilizzano MiSp non sono sempre elastiche. Come bonus, i bachi da seta spruzzavano naturalmente anche una sorta di rivestimento protettivo per rinforzare le fibre. Questo li ha resi potenzialmente più resistente rispetto alla precedente seta di ragno prodotta artificialmente.

Il team sta esplorando ulteriormente il proprio modello computazionale per progettare seta biologicamente compatibile per suture mediche. Oltre a ciò sperano di diventare più creativi. I biologi sintetici desiderano da tempo sviluppare amminoacidi artificiali (i pezzi molecolari che compongono le proteine). Cosa accadrebbe se aggiungessimo amminoacidi sintetici ai tessuti biodegradabili?

“L’introduzione di oltre cento amminoacidi ingegnerizzati racchiude un potenziale illimitato per le fibre di seta di ragno ingegnerizzate”, ha affermato Mi.

Credito immagine: Junpeng Mi, College of Biological Science and Medical Engineering, Donghua University, Shanghai, Cina

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