La telaraña de convertir la tela de araña en un súper material.

Spider-Man es uno de los superhéroes más populares de todos los tiempos. Es un poco sorprendente, dado que una de las fobias más comunes es la aracnofobia, un miedo debilitante a las arañas.

Quizás lo más fantástico es que el joven Peter Parker, un inteligente nerd científico de la escuela secundaria, aparentemente desarrolló de la noche a la mañana, los famosos tiradores de tela y la seda de araña sintética que usa para atravesar el paisaje urbano como Tarzán a través de la jungla.

Esto se debe a que los científicos han intentado durante décadas replicar la seda de araña, un material que es cinco veces más fuerte que el acero, entre sus muchos superpoderes. En los últimos años, los investigadores han estado desenredando la estructura de la fibra basada en proteínas hasta el nivel molecular, lo que ha llevado a nuevas perspectivas y nuevas posibilidades para usos comerciales eventuales.
Las aplicaciones para tal material parecen casi infinitas. Existen las visiones más futuristas, como habilitar “músculos” robóticos para movimientos similares a los humanos o atrapar a villanos de la vida real con una telaraña similar a un hombre araña. Las aplicaciones a corto plazo podrían incluir la industria biomédica, como los vendajes y adhesivos, y como un textil de reemplazo para todo, desde cuerdas hasta cinturones de seguridad y paracaídas.

Hilado de araña sintética
Randy Lewis ha estado estudiando las propiedades de la seda de araña y desarrollando métodos para producirla sintéticamente durante más de tres décadas. En la década de 1990, su equipo de investigación estaba detrás de la clonación del primer gen de la seda de araña, así como del primero en identificar y secuenciar las proteínas que componen las seis sedas diferentes que hacen las arañas. Cada uno tiene diferentes propiedades mecánicas.

“Así que nuestro proceso de pensamiento fue que podías tomar esa información y comenzar a entender qué los hacía fuertes y qué los hacía más elásticos, y por qué algunos son muy elásticos y otros no lo son en absoluto, y algunos son más fuertes y otros son más débiles”. Explicó Lewis, profesor de biología en la Universidad del Estado de Utah y director del Synthetic Spider Silk Lab, en una entrevista con Singularity Hub.

Las arañas son naturalmente territoriales y caníbales, por lo que cualquier intención de cultivar seda naturalmente terminaría en una orgía de violencia arácnida. En cambio, Lewis y compañía han modificado genéticamente diferentes organismos para producir sintéticamente seda de araña, incluida la inserción de un par de genes de creación de tela en el código genético de las cabras. La leche de cabra contiene proteínas de seda de araña.

El laboratorio también produce seda de araña sintética a través de un proceso de fermentación que no es totalmente diferente a la elaboración de cerveza, pero que utiliza bacterias modificadas genéticamente para producir las proteínas de seda de araña deseadas. Una técnica similar se ha utilizado durante años para producir una enzima clave en la producción de queso. Más recientemente, las empresas están utilizando bacterias transgénicas para producir proteínas de la carne y la leche, evitando por completo a los animales en el proceso.

La misma tecnología de fermentación es utilizada por una nueva empresa llamada Bolt Threads fuera de San Francisco, que ha recaudado más de $ 200 millones para las fibras de moda hechas de seda de araña sintética que se conoce como Microsilk. (La compañía también está desarrollando un segundo material similar al cuero, Mylo, que utiliza la estructura radicular subterránea de los hongos conocida como micelio).

El laboratorio de Lewis también utiliza gusanos de seda transgénicos para producir una especie de material compuesto formado por las proteínas de la seda del insecto domesticado y las de la seda de araña. “Esos tienen algunas propiedades bastante impresionantes”, dijo Lewis.

Los investigadores incluso están experimentando con alfalfa modificada genéticamente. Una de las grandes ventajas es que una vez que se ha extraído la proteína de seda de araña, la proteína restante podría venderse como alimento para el ganado. “Eso reduciría significativamente el costo de producción de proteína de seda de araña”, dijo Lewis.

Construyendo una mejor web
La producción de seda de araña sintética no es el problema, según Lewis, pero la capacidad de hacerlo a escala comercial sigue siendo un punto de fricción.

Otro desafío es “tejer” la seda sintética de araña en productos utilizables que puedan aprovechar las maravillosas propiedades del material.

“Es posible producir proteínas de seda sintéticamente, pero es muy difícil ensamblar las proteínas individuales en una fibra u otras formas materiales”, dijo Markus Buehler, jefe del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental del MIT, en un correo electrónico a Singularity Hub. “La araña tiene un complejo conducto giratorio en el que las proteínas de la seda están expuestas a fuerzas físicas, gradientes químicos, cuya combinación genera el ensamblaje de moléculas que conducen a las fibras de seda”.

Buehler recientemente fue coautor de un artículo en la revista Science Advances que encontró que la seda de araña exhibe diferentes propiedades en respuesta a los cambios en la humedad que podrían eventualmente tener aplicaciones en robótica.

Específicamente, la seda de araña se contrae repentinamente y se tuerce por encima de un cierto nivel de humedad relativa, ejerciendo suficiente fuerza para “ser potencialmente competitivos con otros materiales que se exploran como accionadores: dispositivos que se mueven para realizar alguna actividad, como controlar una válvula”.

Estudiando la seda de araña de cerca
Estudios recientes a nivel molecular están ayudando a los científicos a aprender más sobre las propiedades únicas de la seda de araña, lo que puede ayudar a los investigadores a desarrollar materiales con capacidades extraordinarias.

Por ejemplo, los científicos de la Universidad Estatal de Arizona utilizaron herramientas de resonancia magnética y otros instrumentos para obtener imágenes del abdomen de una araña viuda negra. Produjeron lo que llamaron el primer modelo a nivel molecular de la formación de fibra de proteína de seda de araña, proporcionando información sobre la estructura de las nanopartículas. La investigación fue publicada el pasado octubre en Actas de la Academia Nacional de Ciencias.

También en 2018, un estudio presentado en Nature Communications describió una especie de abrazadera molecular que se une a los bloques de construcción de proteínas de la seda, que se denominan espidroínas. Los investigadores observaron por primera vez que la abrazadera se autoensambla en un proceso de dos pasos, lo que contribuye a la extensibilidad o estiramiento de la seda de araña.

Otro equipo puso la seda de araña de un recluso marrón bajo un microscopio de fuerza atómica, descubriendo que cada hebra, ya 1.000 veces más delgada que un cabello humano, está formada por miles de nanostrands. Eso ayuda a explicar su extraordinaria resistencia a la tracción, aunque la técnica también es un factor, ya que la reclusa marrón utiliza un método de bucle especial para reforzar sus hilos de seda. El estudio también apareció el año pasado en la revista ACS Macro Letters.

Haciendo palillo de seda de araña
Buehler dijo que su equipo ahora está tratando de desarrollar métodos predictivos mejores y más rápidos para diseñar proteínas de seda utilizando inteligencia artificial.
“Estos nuevos métodos nos permiten generar nuevos diseños de proteínas que no existen de manera natural y que se pueden explorar para optimizar ciertas propiedades deseables como la actuación torsional, la fuerza, la bioactividad, por ejemplo, la ingeniería de tejidos, y otras”, dijo.

Mientras tanto, el laboratorio de Lewis ha descubierto un método que le permite solubilizar la proteína de seda de araña en lo que es esencialmente una solución a base de agua, evitar ácidos u otros compuestos tóxicos que normalmente se utilizan en el proceso.

Eso permite a los investigadores desarrollar materiales más allá de la fibra, incluidos los adhesivos que “son mejores que una gran cantidad de los adhesivos comerciales actuales”, dijo Lewis, así como los recubrimientos que podrían usarse para amortiguar las vibraciones, por ejemplo.

“Estamos haciendo geles para varios tipos de regeneración de tejidos, así como para la administración de medicamentos, y cosas por el estilo”, agregó. “Así que hemos ampliado el perfil de uso de algo más allá de las fibras a algo que es una cartera mucho más extensa de posibles tipos de materiales”.

Y, sí, incluso hay diseños en el Synthetic Spider Silk Lab para desarrollar un material de tela de araña Spider-Man. La Armada de los EE. UU. está interesada en formas no destructivas de deshabilitar una nave enemiga, como ensuciar su hélice. El proyecto también incluye la producción de proteínas sintéticas a partir del pez hagfish, un animal parecido a una anguila que exuda un limo gelatinoso cuando está amenazado.

Lewis dijo que si bien el potencial de la seda de araña es sin duda el titular, advirtió que gran parte de las exageraciones no se centran en las propiedades mecánicas únicas que podrían conducir a avances en la atención médica y otras industriaTambién en 2018, un estudio presentado en Nature Communications describió una especie de abrazadera molecular que se une a los bloques de construcción de proteínas de la seda, que se denominan espidroínas. Los investigadores observaron por primera vez que la abrazadera se autoensambla en un proceso de dos pasos, lo que contribuye a la extensibilidad o estiramiento de la seda de araña.

Otro equipo puso la seda de araña de un recluso marrón bajo un microscopio de fuerza atómica, descubriendo que cada hebra, ya 1.000 veces más delgada que un cabello humano, está formada por miles de nanostrands . Eso ayuda a explicar su extraordinaria resistencia a la tracción, aunque la técnica también es un factor, ya que la reclusa marrón utiliza un método de bucle especial para reforzar sus hilos de seda. El estudio también apareció el año pasado en la revista ACS Macro Letters .

Buehler dijo que su equipo ahora está tratando de desarrollar métodos predictivos mejores y más rápidos para diseñar proteínas de seda utilizando inteligencia artificial.
“Estos nuevos métodos nos permiten generar nuevos diseños de proteínas que no existen de manera natural y que se pueden explorar para optimizar ciertas propiedades deseables como la actuación torsional, la fuerza, la bioactividad, por ejemplo, la ingeniería de tejidos, y otras”, dijo.

Mientras tanto, el laboratorio de Lewis ha descubierto un método que le permite solubilizar la proteína de seda de araña en lo que es esencialmente una solución a base de agua, evitar ácidos u otros compuestos tóxicos que normalmente se utilizan en el proceso.

Eso permite a los investigadores desarrollar materiales más allá de la fibra, incluidos los adhesivos que “son mejores que una gran cantidad de los adhesivos comerciales actuales”, dijo Lewis, así como los recubrimientos que podrían usarse para amortiguar las vibraciones, por ejemplo.

“Estamos haciendo geles para varios tipos de regeneración de tejidos, así como para la administración de medicamentos, y cosas por el estilo”, agregó. “Así que hemos ampliado el perfil de uso de algo más allá de las fibras a algo que es una cartera mucho más extensa de posibles tipos de materiales”.

Y, sí, incluso hay diseños en el Synthetic Spider Silk Lab para desarrollar un material de tela de araña Spider-Man. La Armada de los EE. UU. está interesada en formas no destructivas de deshabilitar una nave enemiga, como ensuciar su hélice. El proyecto también incluye la producción de proteínas sintéticas a partir del pez hagfish, un animal parecido a una anguila que exuda un limo gelatinoso cuando está amenazado.

Lewis dijo que si bien el potencial de la seda de araña es sin duda el titular, advirtió que gran parte de las características no se centran en las propiedades mecánicas únicas que podrían conducir a avances en la atención médica y otras industrias.

“Queremos ver la seda de araña en todas partes, porque es un material único, no porque tiene un atractivo de marketing”, dijo.

Crédito de la imagen: mycteria / Shutterstock.com

Fuente: singularityhub.com