Con bacterias modificadas genéticamente investigadores crearon un material más resistente que el acero y el kevlar

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La bioeconomía como modelo de desarrollo industrial sostenible

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La seda de araña es una fibra proteica hilada naturalmente por arañas y es uno de los materiales más fuertes y resistentes de la Tierra. Determinar la relación que existe entre la composición y la estructura química de la seda de araña para desarrollar materiales que posean propiedades mecánicas similares, así como lograr un método aplicable industrialmente para producirlo, es uno de los objetivos centrales de los investigadores en ciencia de materiales, pues permitiría reemplazar materiales minerales con elevada huella de carbono que contribuyen de forma significativa al cambio climático.

Ahora los ingenieros de la Universidad de Washington en St. Louis han dado un paso fundamental en este objetivo. Diseñaron proteínas híbridas de seda amiloide y las han producido en bacterias modificadas genéticamente. Las fibras obtenidas resultaron más fuertes y resistentes que algunas sedas de araña naturales.

Su investigación fue publicada en la revista ACS Nano.

Para ser precisos, la seda artificial, denominada fibra «amiloide polimérica», no fue producida técnicamente por investigadores, sino por bacterias que fueron modificadas genéticamente en el laboratorio de Fuzhong Zhang, profesor del Departamento de Energía, Ingeniería Ambiental y Química de Escuela de Ingeniería McKelvey.

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Zhang viene trabajado con seda de araña desde hace años. En 2018, su laboratorio diseñó bacterias que produjeron una seda de araña recombinante con un rendimiento a la par con sus contrapartes naturales en todas las propiedades mecánicas importantes. «Luego de nuestro trabajo anterior, me preguntaba si podríamos crear algo mejor que la seda de araña utilizando nuestra plataforma de biología sintética», dijo Zhang.

El equipo de investigación, que incluye al primer autor Jingyao Li, estudiante de doctorado en el laboratorio de Zhang, modificó la secuencia de aminoácidos de las proteínas de la seda de araña para introducir nuevas propiedades, manteniendo algunas de las características atractivas de la seda de araña.

Un problema asociado con la fibra de seda de araña recombinante, sin una modificación significativa de la secuencia de la seda de araña natural, es la necesidad de crear nanocristales β, un componente principal de la seda de araña natural, que contribuye a su resistencia. «Las arañas han descubierto cómo hilar fibras con una cantidad deseable de nanocristales», dijo Zhang. «Pero cuando los humanos usan procesos de hilado artificial, la cantidad de nanocristales en una fibra de seda sintética es a menudo menor que su contraparte natural».

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Para resolver este problema, el equipo rediseñó la secuencia de la seda mediante la introducción de secuencias amiloides que tienen una alta tendencia a formar nanocristales β. Crearon diferentes proteínas amiloides poliméricas utilizando tres secuencias amiloides bien estudiadas como representativitas. Las proteínas resultantes tenían secuencias de aminoácidos menos repetitivas que la seda de araña, lo que facilitaba su producción por bacterias modificadas genéticamente. Finalmente, las bacterias produjeron una proteína amiloide polimérica híbrida con 128 unidades repetidas. Se ha demostrado que la expresión recombinante de la proteína de la seda de araña con unidades repetidas similares es difícil.

Cuanto más larga sea la proteína, más fuerte y resistente será la fibra resultante. Las proteínas de 128 repeticiones dieron como resultado una fibra con una fuerza gigapascal (una medida de cuánta fuerza se necesita para romper una fibra de diámetro fijo), que es más fuerte que el acero común. La tenacidad de las fibras (una medida de cuánta energía se necesita para romper una fibra) es más alta que la del Kevlar y todas las fibras de seda recombinantes anteriores. Su fuerza y ​​dureza son incluso más altas que las de algunas fibras de seda de araña natural reportadas.

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En colaboración con Young-Shin Jun, profesora del Departamento de Energía, Ingeniería Ambiental y Química, y su estudiante de doctorado Yaguang Zhu, el equipo confirmó que las altas propiedades mecánicas de las fibras amiloides poliméricas provienen de la mayor cantidad de β-nanocristales.

Estas nuevas proteínas y las fibras resultantes no son el final de la historia de las fibras sintéticas de alto rendimiento en el laboratorio de Zhang. Recién están comenzando. «Esto demuestra que podemos diseñar la biología para producir materiales que superen al mejor material de la naturaleza», dijo Zhang.

 
 
 
 
 

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