Más fuerte que el acero, más resistente que el Kevlar: los científicos arrojan nueva luz sobre la seda de araña más fuerte del mundo

La biofísica Irina Iashina, de la Universidad del Sur de Dinamarca, sostiene fibras de seda producidas por una araña de tela dorada. Crédito: Anders Boe/Universidad del Sur de Dinamarca

Muchos científicos aspiran a descubrir la asombrosa capacidad de las arañas para hilar hilos de seda extremadamente fuertes, ligeros y flexibles. De hecho, la seda de araña es más fuerte que el acero y más dura que el Kevlar. Sin embargo, todavía nadie ha podido replicar el trabajo de las arañas.

Si pudiéramos desarrollar un equivalente sintético con estas propiedades, se abriría todo un nuevo mundo de posibilidades: la seda de araña sintética podría sustituir a materiales como el Kevlar, el poliéster y la fibra de carbono en la industria y podría utilizarse, por ejemplo, para fabricar materiales ligeros. y productos flexibles. Chaquetas antibalas.

Irina Iashina, investigadora postdoctoral y biofísica del Departamento de Bioquímica y Biología Molecular de la Universidad del Sur de Dinamarca (SDU), participa en esta carrera para descubrir la receta de la superseda. Ha estado fascinada por la seda de araña desde que era estudiante de maestría en la SDU y actualmente está investigando el tema en el Instituto de Tecnología de Massachusetts en Boston con el apoyo de la Fundación Velome.

Irina Iashina frente a la computadora

La biofísica Irina Iashina, de la Universidad del Sur de Dinamarca, estudia la seda de araña en una computadora. Crédito: Anders Boe/Universidad del Sur de Dinamarca

Como parte de su investigación, está colaborando con el profesor asistente y biofísico de la SDU Jonathan Brewer, un experto en el uso de diferentes tipos de microscopios para observar estructuras biológicas.

Juntos han estudiado por primera vez el interior de la seda de araña utilizando un microscopio óptico sin cortar ni abrir la seda de ninguna manera. Este trabajo ya ha sido publicado en revistas. Informes científicos Y El escaneo está hecho.

«Utilizamos varias técnicas de microscopía avanzadas y también desarrollamos un nuevo tipo de microscopio óptico que nos permite observar un trozo de fibra y ver qué hay dentro», explica Jonathan Brewer.

La araña de tela dorada produce seda

La araña de tela de orbe dorado produce su seda desde su extremo trasero. Crédito: Anders Boe/Universidad del Sur de Dinamarca

Hasta la fecha, la seda de araña se ha analizado utilizando diferentes técnicas, todas las cuales han aportado nuevos conocimientos. Sin embargo, estas técnicas también tenían inconvenientes, como señala Jonathan Brewer, ya que a menudo requerían cortar el hilo de seda (también conocido como fibra) para obtener una sección transversal para microscopía o congelar muestras, lo que podía alterar la estructura de las fibras de seda.

«Queríamos estudiar fibras puras, sin tratar, que no hayan sido cortadas, congeladas ni procesadas de ninguna manera», dice Irina Iashina.

Para ello, el dúo de investigadores utilizó técnicas menos invasivas como la dispersión Raman Coherent Anti-Stokes, la microscopía confocal, la microscopía confocal de reflectancia de fluorescencia de superresolución, la microscopía de barrido de iones de helio y la pulverización de iones de helio.

Varios estudios han revelado que las fibras de seda de araña se componen de al menos dos capas externas de lípidos, es decir, lípidos. Detrás de ellas, dentro de las fibrillas, hay muchas de las llamadas fibrillas que discurren en línea recta y están apretadas una al lado de la otra (ver figura). El diámetro de las fibrillas oscila entre 100 y 150, cifra inferior al límite que se puede medir con un microscopio óptico normal.

Estructura propuesta de la seda de araña.

Ilustración de Informes científicos Artículo: Una representación esquemática (no a escala) de la estructura propuesta de las fibras de seda de araña tal como se encuentra en el presente trabajo. (A) Vista lateral de la fibra, (B) Sección transversal a través de la fibra. Una capa externa rica en lípidos no conductora (verde) de 0,6 a 1 µm de espesor, y dos capas conductoras internas de proteína autofluorescente: una que muestra mayor afinidad hacia FITC (azul) y otra rodamina B que muestra mayor afinidad hacia (naranja). El núcleo proteico interno consta de fibras cristalinas, alineadas paralelas al eje longitudinal de la fibra, rodeadas por regiones proteicas amorfas. Fuente: Iachina/Brewer, Universidad del Sur de Dinamarca.

“No está retorcida, como se podría imaginar, por lo que ahora sabemos que no es necesario retorcerla cuando se intenta hacer seda de araña artificial”, dice Irina Iashina.

Iachina y Brewer trabajan con fibras de seda de la araña de telaraña dorada, Nephila madagascariensis, que produce dos tipos diferentes de seda: una, llamada MAS (fibra de seda ampular mayor), se utiliza para construir la telaraña, y también es la seda. al que la araña suele aferrarse. Irina Iashina se refiere a ella como el alma de la araña. Es muy fuerte y tiene unos 10 micrómetros de diámetro.

La otra, denominada MiS (fibras de seda microampulares), sirve como ayuda para la construcción. Es más flexible y suele tener un diámetro de 5 micrómetros.

Según el análisis binario, la seda MAS contiene fibrillas con un diámetro de aproximadamente 145 nm. En cuanto a MiS, tiene unos 116 nm. Cada fibra está compuesta de proteínas y participan varias proteínas diferentes. Estas proteínas son producidas por la araña cuando fabrica sus fibras de seda.

Es importante comprender cómo se crean fibras tan fuertes, pero producirlas también es un desafío. Por lo tanto, los investigadores en este campo a menudo dependen de las arañas para producir su seda.

En su lugar, pueden recurrir a métodos computacionales, que es en lo que Irina Iashina está trabajando actualmente. Instituto de Tecnología de Massachusetts: «En este momento estoy ejecutando una simulación por computadora de cómo las proteínas se convierten en seda. El objetivo es, por supuesto, aprender a producir seda de araña artificial, pero también estoy interesado en contribuir a una mayor comprensión del mundo que nos rodea. .”

Referencias: “Imágenes nanoscópicas de seda de ampollas primarias y secundarias de la araña de telaraña Nephila Madagascariensis” por Irina Iachina, Jacek Wiotowski, Horst Günter Ruban, Fritz Vollrath y Jonathan R. Breuer, 24 de abril de 2023, Informes científicos.
doi: 10.1038/s41598-023-33839-z

“Microscopía de iones de helio y corte de seda de araña” por Irina Iashina, Jonathan R. Breuer, Horst Günter Ruban y Jacek Wojtowski, 22 de mayo de 2023, El escaneo está hecho.
doi: 10.1155/2023/2936788

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