Sedosa, elástica y más fuerte que el acero! Understand article

Author(s): Giovanna Cicognan, Montserrat Capellas

Traducido por Carlos Benavente-Morales y Gabriel Pinto, Universidad Politécnica de Madrid. ¿Podría la seda de araña ser la respuesta a retos militares y de temas de salud? Giovanna Cicognani, del Institut Laue-Langevin, y Monserrat Capellas, del European Synchrotron Radiation Facility,…

Imagen cortesía de Richard
Davies

La biomimética es un tema candente en la ciencia moderna, pero la idea de que los humanos puedan emplear  diseños evolutivos no es nada  nuevo. Hace más de 400 años, Leonardo da Vinci estudió los pájaros para inspirarse en sus máquinas voladoras. En la actualidad, científicos franceses están usando técnicas punteras para ‘desenredar’ los secretos de un material que ha existido desde hace más de 150 millones de años.

Desde hace siglos, hemos envidiado a las arañas por su habilidad para crear elegantes telas. Aunque frágiles en apariencia, estas redes pueden parar a insectos en pleno vuelo y son lo suficientemente robustas para retener la presa sin que los hilos se rompan. Los hilos que componen estas notables estructuras son biopolímeros. Sin embargo, a diferencia de fibras poliméricas hechas por el hombre, como el Kevlar®, que se obtiene haciendo pasar una solución caliente y ácida de polímero, bajo presión, a través de unos pequeños orificios, hasta un ‘baño de coagulación’ seguido de etapas de lavado, retirado y secado, la seda se produce a temperatura ambiente y procede de una disolución acuosa. La capacidad de la tela de araña para atrapar insectos se debe a su combinación única de propiedades mecánicas: fuerza, extensibilidad (30 %) y, lo que es más importante, su resistencia  a la rotura. La seda de araña puede ser seis veces más fuerte que el acero (en una proporción de peso equivalente), pero es su resistencia la que la hace tan especial, ya que la permite absorber una gran cantidad de energía sin romperse. Los materiales hechos por el hombre, como el Kevlar, son fuertes, pero carecen de esta particularidad. Y lo que es más, a diferencia del Kevlar, la seda de araña es biodegradable y reciclable: cuando reparan las redes, las arañas suelen comerse las partes dañadas de la red, absorbiendo los nutrientes.

Estas características especiales hacen que la seda de araña sea de interés para diversos campos de investigación. Un polímero basado en la tela de araña podría ser usado en medicina, como sutura no tóxica de alta resistencia, o en la reparación de los ligamentos, puesto que la fibra no sólo no sufre fatiga cuando es estirada frecuentemente, sino que también puede resistir frecuentes impactos y gran presión. El sector militar también está investigando este material debido a que su capacidad para disipar energía podría convertirle en idóneo para el armamento ligero.

Pero antes de que podamos producir y usar seda de araña artificial, necesitamos entender qué es lo que le confiere sus propiedades mecánicas únicas. Experimentos recientes del Institut Laue-Langevin (ILL) y la European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) de Grenoble, Francia, han usado el bombardeo de neutrones y la  radiación sincrotón para investigar las propiedades microscópicas de la seda de araña. Esto ha permitido a los científicos hacerse una nueva idea acerca de la estructura de la seda, la cual es, al fin y al cabo, la que le confiere sus propiedades mecánicas. Las dos técnicas, bombardeo de neutrones y radiación sincrotón, se complementan mutuamente. Mientras que la radiación sincrotón, una clase de radiación de rayos-X de muy alta energíaw1, permite que una sola fibra de seda pueda ser estudiada cuando se extrae de una araña viva, el bombardeo con neutrones nos permite identificar diferencias en la organización de las proteínas y su accesibilidad al agua, algo que tiene gran influencia en sus propiedades mecánicas. Los neutrones, a diferencia de la radiación sincrotón, se bombardean o dispersan con agua normal que contiene hidrógeno y agua pesada que contiene deuterio. Exponiendo una fibra de seda al agua pesada, podemos determinar, dependiendo de la manera en que disperse los neutrones bombardeados, que átomos de hidrógeno han sido sustituidos por átomos de deuterio. Esto proporciona como resultado información acerca del contexto químico en el que se encuentran los átomos.

Estructuras de nanofibras.
Imagen cortesía de Daniel
Saped

Los resultados, obtenidos por un equipo conjunto del ESRF y el ILL, en colaboración con el Departamento de Zoología de la Universidad de Oxford, Reino Unido, mostraron que la seda de araña es un material jerárquicamente organizado. Su estructura biopolimérica esta formada por proteínas compuestas casi en su totalidad por unidades repetitivas de aminoácidos tales como la alanina y la glicina. Las unidades de alanina forman dominios cristalinos, que son separados por dominios no cristalinos ricos en glicinaomains.

Estos dominios cristalinos y no cristalinos están organizadas en nanofibras, que se disponen inmersas en una matriz amorfa de proteína. Los científicos debaten todavía acerca de cómo esta estructura proporciona estas increíbles propiedades mecánicas a la seda de araña: ¿es debido a ‘muelles moleculares’ en la matriz proteica amorfa o a las propiedades de una red amorfa reforzada por dominios cristalinos (ver diagrama)?.

Los científicos han sido capaces de producir artificialmente las proteínas de la seda de araña desde hace algún tiempo, y ahora entendemos con mayor detalle, aunque todavía de manera incompleta, cómo están organizadas estas proteínas para conferir a la seda arácnida su impresionante dureza. No obstante, es necesario trabajar más en profundidad para comprender – y replicar – el mecanismo de agregación de proteínas y formación de fibras. En la araña, las proteínas de la seda se sintetizan y secretan en una glándula, en forma de una especie de cristal líquido viscoso. Este líquido es empujado a través de un largo conducto hacia una espita, en el extremo de la hilera de la araña. En su camino al exterior, un proceso de espesamiento y el cambio del pH, alteran el líquido viscoso, dando como resultado la agregación de las proteínas de la seda. La araña es incluso capaz de reabsorber y reciclar el agua durante el proceso de espesamiento. Otros factores, tales como el movimiento del cuerpo de la araña, juegan también un papel importante en el proceso de hilado.

Cómo interactúan exactamente estos factores y cómo pueden ser imitados para producir seda de araña artificial en el laboratorio, es una cuestión que continúa ocupando a los científicos. En el ESRF, ILL y otros institutos de todo el mundo, el estudio de la biomimética continúa como una alternativa artificial a uno de los más extraordinarios materiales naturales – y con ello, una nueva generación de materiales más baratos y ecológicos.

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Review

Este artículo puede ser usado en lecciones de química, biología y física, para alumnos de entre 11 y 17 años. En particular, es aplicable a consideraciones de cristalografía, estructuras de redes y el papel del pH en la agrupación de proteínas.

Eric Demoncheaux, Reino Unido

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