Bichos-da-seda transgênicos giram seda de aranha 6x mais resistente que Kevlar

Outro dia, mergulhei de cabeça em uma teia de aranha enquanto dormia dentro da minha van.

Gritos à parte, a parte lógica de mim ficou maravilhada com a rapidez com que um único rastejante teceu uma teia tão complexa - e surpreendentemente saltitante e resistente - em apenas algumas horas.

A seda da aranha é uma maravilha natural. É resistente e resiste a danos, mas também é altamente flexível. Leve, forte e biodegradável, a seda pode ser usada em qualquer coisa, desde suturas cirúrgicas até coletes à prova de balas.

Por que não produziríamos mais destas sedas para consumo humano? As aranhas são terríveis máquinas de produção biológica. Deixando de lado o fator assustador, eles são muito combativos – junte algumas centenas e logo você terá um punhado de vencedores e muito pouco produto.

Graças à engenharia genética, no entanto, podemos agora ter uma maneira de evitar completamente as aranhas na fabricação de seda de aranha.

In um estudo publicado na semana passada, uma equipe da Universidade Donghua, na China, usou CRISPR para criar bichos-da-seda geneticamente modificados que podem produzir seda de aranha. Os fios resultantes são mais resistentes que o Kevlar – um componente sintético usado em coletes à prova de balas. Comparada aos materiais sintéticos, essa seda de aranha é uma alternativa muito mais biodegradável que pode ser facilmente dimensionada para produção.

O Dr. Justin Jones, da Universidade Estadual de Utah, que não esteve envolvido no estudo, deu um aceno de aprovação à nova trama. O material resultante é “uma fibra realmente de alto desempenho”, ele dito para Ciência.

Entretanto, para os autores, a sua estratégia não se limita à seda de aranha. O estudo descobriu vários princípios biofísicos para a construção de materiais de seda com resistência e flexibilidade excepcionais.

Mais experimentações poderiam potencialmente produzir têxteis de próxima geração, além das capacidades atuais.

Sobre vermes, artrópodes e história

A natureza oferece uma riqueza de inspiração para materiais de vanguarda.

Pegue o velcro, o material de velcro que pode pendurar as toalhas do banheiro ou prender os sapatos do seu filho. O material onipresente era concebido pela primeira vez pelo engenheiro suíço George de Mestral na década de 1940 ao tentar tirar rebarbas das calças depois de uma caminhada. Uma nova análise ao microscópio mostrou que as rebarbas tinham ganchos afiados que prendiam as laçadas do tecido. De Mestral transformou o incômodo das caminhadas no tecido de velcro disponível hoje em todas as lojas de ferragens.

Um exemplo menos espinhoso é a seda. Cultivado pela primeira vez pela China antiga cerca de 5,000 anos atrás, a seda é fiada a partir de bichos-da-seda redondos e contorcidos e transformada em tecidos usando teares primitivos. Estas sedas delicadas espalharam-se por todo o Leste Asiático e oeste, ajudando a estabelecer a lendária Rota da Seda.

No entanto, como qualquer pessoa que já tenha roupas ou lençóis de seda saberá, esses materiais são incrivelmente delicados e facilmente rasgam e quebram.

Os desafios que enfrentamos com a seda do bicho-da-seda são compartilhados pela maioria dos materiais.

Um problema é a resistência: quanto alongamento um material pode suportar ao longo do tempo. Imagine arrancar um suéter ligeiramente encolhido após lavá-lo. Quanto menos resistência as fibras tiverem, menor será a probabilidade de a roupa manter a sua forma. O outro problema é a resistência. Simplificando, é quanta energia um material pode absorver antes de se decompor. Um suéter velho fará buracos facilmente com apenas um puxão. Por outro lado, o Kevlar, um material à prova de balas, pode literalmente levar balas.

Infelizmente, as duas propriedades são mutuamente exclusivas nos materiais de engenharia atuais, disse a equipe.

A natureza, porém, tem uma solução: a seda da aranha é forte e resistente. O problema é fazer com que os artrópodes produzam seda num ambiente seguro e eficaz. Esses animais são predadores cruéis. Cem bichos-da-seda em cativeiro podem abraçar-se em paz; jogue cem aranhas juntas e você terá um banho de sangue do qual apenas uma ou duas permanecerão vivas.

Um útero de verme-aranha

E se pudéssemos combinar o melhor dos bichos-da-seda e das aranhas?

Os cientistas têm há muito tempo queria engenheiro um “fofinho”data para as duas espécies com a ajuda da engenharia genética. Não, não é uma comédia romântica entre espécies. A ideia principal é dotar geneticamente os bichos-da-seda com a capacidade de produzir seda de aranha.

Mas os genes que codificam as proteínas da seda da aranha são grandes. Isso os torna difíceis de inserir no código genético de outras criaturas sem sobrecarregar as células naturais e causar sua falha.

Aqui, a equipe usou pela primeira vez um método computacional para localizar a estrutura mínima da seda. O modelo resultante mapeou as diferenças nas proteínas da seda entre bichos-da-seda e aranhas. Felizmente, ambas as espécies tecem fibras a partir de estruturas proteicas semelhantes – chamadas fibras de poliamida – embora cada uma seja baseada em diferentes componentes proteicos.

Outro pouco de sorte é a anatomia compartilhada. “As glândulas da seda dos bichos-da-seda domésticos e das glândulas da seda das aranhas exibem ambientes físicos e químicos notavelmente semelhantes”, disse a equipe.

Usando o modelo, eles identificaram um componente crítico que aumenta a resistência e a resistência da seda – uma proteína de seda relativamente pequena, MiSp, encontrada em Araneus ventricosus aranhas do Leste Asiático.

Com o CRISPR-Cas9, uma ferramenta de edição genética, a equipe adicionou genes que codificam MiSp aos bichos-da-seda – essencialmente reorganizando-os para fiar seda de aranha. Conseguir isto foi um pesadelo tecnológico, exigindo centenas de milhares de microinjeções em ovos fertilizados do bicho-da-seda para editar suas glândulas que fiam a seda. Como verificação de sanidade, a equipe também adicionou um gene que fazia os olhos dos bichos-da-seda brilharem em um vermelho assustador, o que sinalizava sucesso.

Autor do estudo Junpeng Mi “dançou e praticamente correu para” o escritório do autor principal, Dr. Meng Qing. “Lembro-me vividamente daquela noite, pois a excitação me manteve acordada”, disse Mi.

As sedas de aranha-verme resultantes são cerca de seis vezes mais resistentes que o Kevlar, mas ainda flexíveis. É surpreendente, disse Jones, porque as fibras que usam MiSp nem sempre são elásticas. Como bônus, os bichos-da-seda também pulverizaram naturalmente uma espécie de camada protetora para fortalecer as fibras. Isso os tornou potencialmente mais durável do que a seda de aranha anterior feita artificialmente.

A equipe está explorando ainda mais seu modelo computacional para projetar seda biologicamente compatível para suturas médicas. Além disso, eles esperam ser mais criativos. Os biólogos sintéticos há muito desejam desenvolver aminoácidos artificiais (as peças moleculares que constituem as proteínas). O que aconteceria se adicionássemos aminoácidos sintéticos aos tecidos biodegradáveis?

“A introdução de mais de cem aminoácidos modificados tem um potencial ilimitado para fibras de seda de aranha modificadas”, disse Mi.

Crédito da imagem: Junpeng Mi, Faculdade de Ciências Biológicas e Engenharia Médica, Universidade Donghua, Xangai, China

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• Fonte: https://singularityhub.com/2023/09/26/transgenic-silkworms-spin-spider-silk-6x-tougher-than-kevlar/