Durante mucho tiempo, los investigadores han estado intentando entender cómo las arañas tejen su seda para poder hacer versiones artificiales de hilos de telaraña que sean tan resistentes y versátiles como los reales.

Pero imitar la forma en que las arañas hilan las fibras de la solución de proteína concentrada ha sido un desafío.

Ahora, investigadores de la Universidad Northwestern y la Universidad Estatal de San Diego han logrado desentrañar mejor el complejo proceso de cómo las arañas viudas negras transforman las proteínas en resistentes fibras. Este conocimiento promete ayudar a los científicos a crear materiales sintéticos igualmente fuertes.

Conocimiento adquirido

Las arañas viudas negras y sus parientes, nativas de climas templados en América del Norte, Europa, Asia, Australia, África y América del Sur, producen una variedad de sedas con propiedades excepcionales.

Cada fibra de seda de araña es una cadena de moléculas de proteínas grandes. En las glándulas de la araña, estas proteínas se mezclan con agua y sal para formar un fluido gelatinoso altamente concentrado.

Utilizando técnicas de vanguardia el equipo de investigación pudo ver más de cerca el interior de la glándula de proteína donde se originan las fibras de seda, revelando un ensamblaje de proteínas jerárquico mucho más complejo.

Aunque los científicos han sabido durante mucho tiempo la secuencia primaria de aminoácidos que forman algunas proteínas de seda de araña, y han entendido la estructura de las fibras y las redes, todavía hay mucho que se desconoce.

Una pregunta clave ha sido cómo las arañas almacenan las proteínas dentro de este fluido en la glándula de seda. Hace quince años, los investigadores plantearon la hipótesis de que las proteínas forman nanoestructuras esféricas, pero no existe una evidencia concluyente.

La hipótesis de las nanopartículas podría explicar algunas de las propiedades mecánicas de la seda de araña.

Tecnología de vanguardia

Para descubrir si existían las nanopartículas, los investigadores extrajeron líquido de las glándulas de las arañas viudas negras, una especie que cuenta con una de las sedas más fuertes.

El equipo utilizó resonancia magnética nuclear para mostrar que las proteínas se empaquetaron en volúmenes con diámetros de aproximadamente 300 nm en el fluido. Posteriormente utilizaron microscopía electrónica de transmisión criogénica para obtener las primeras imágenes de las nanoestructuras de proteínas.

Durante mucho tiempo, los investigadores han estado intentando entender cómo las arañas tejen su seda para poder hacer versiones artificiales de hilos de telaraña.

Las imágenes mostraron que las moléculas de proteína se ensamblan en escamas de 25 nm de ancho y 25 nm de espesor. Varios copos interactúan para formar una red con regiones densamente empaquetadas y espacios vacíos que probablemente estén ocupados por un solvente.

El equipo de investigación también estudió lo que sucede con las proteínas bajo la tensión que experimentarían cuando se extruyen del conducto giratorio de la araña.

Para hacerlo, los científicos pusieron la solución de proteína en una micropipeta y la bombearon hacia arriba y hacia abajo. La fuerza de pasar a través de la abertura de la pipeta estiró las escamas en fibras estrechas que tienen una longitud de aproximadamente 100 nm y una anchura de 5–15 nm.

Nanoestructura necesaria

Los investigadores concluyen que las proteínas de la seda de araña no comienzan como micelas esféricas simples, como se pensaba anteriormente, sino como micelas compuestas y complejas. Esta estructura única es potencialmente necesaria para crear las impresionantes fibras de la araña viuda negra.

En cuanto a las implicaciones de estos hallazgos, el investigador Gregory P. Holland, profesor en el Departamento de Química y Bioquímica de la Universidad Estatal de San Diego, comentó:

“Si se puede replicar, las aplicaciones prácticas para un material como este son esencialmente ilimitadas; podrían incluir textiles de alto rendimiento para militares, socorristas y atletas, materiales de construcción para puentes y otras infraestructuras, así como sustitutos ecológicos para plásticos y aplicaciones biomédicas”.

Referencia: Hierarchical spidroin micellar nanoparticles as the fundamental precursors of spider silks. PNAS, 2018. https://doi.org/10.1073/pnas.1810203115

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