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Realizzare materiali resistenti ai ragni
I ricercatori hanno cercato di creare seta artificiale di ragno, un materiale leggero e più resistente dell'acciaio che potrebbe avere innumerevoli applicazioni industriali, per decenni. In un passo importante verso questo obiettivo, i ricercatori della Tufts University hanno creato microbi geneticamente modificati che producono più proteine necessarie per produrre la seta di ragno che mai.
Seta microbica: Questa fibra è composta da proteine di seta di ragno di alta qualità prodotte da batteri geneticamente modificati.
La seta dragline, il tipo che i ragni usano per i bordi e i raggi delle loro tele, è più dura e molto più leggera dell'acciaio. I batteri ingegnerizzati possono produrre le proteine necessarie per sintetizzare questa seta, che viene filata insieme per produrre fibre. Tuttavia, i precedenti sforzi per realizzare la seta di ragno usando i batteri sono stati ostacolati per diversi motivi. In primo luogo, i ricercatori hanno avuto un'immagine incompleta della sequenza del gene della seta dragline. E in secondo luogo, hanno avuto un successo limitato nel modificare i batteri per produrre abbastanza proteine.
David Kaplan , presidente del dipartimento di ingegneria biomedica della Tufts University, ha aperto la strada all'applicazione della seta del baco da seta in dispositivi medici, elettronica biodegradabile, dispositivi ottici e adesivi. Crede che la seta di ragno, che è più forte della varietà del baco da seta, potrebbe aprire nuove applicazioni, ma dice: Non è stata esplorata tanto perché non abbiamo avuto abbastanza materiale. I ragni sono aggressivi e territoriali e quindi non possono essere allevati come i bachi da seta.
I bioingegneri hanno avuto solo un modesto successo nel convincere i microbi a produrre proteine di seta di ragno. Gigante chimico DuPont ha tentato senza successo di sviluppare un prodotto di seta prodotto da batteri negli anni '90. Parte del problema è che la seta di ragno è costituita da una proteina molto grande con una sequenza genetica altamente ripetitiva, che rende difficile la decodifica, afferma Christopher Voigt , professore di chimica farmaceutica presso l'Università della California, San Francisco.
L'anno scorso, i ricercatori che utilizzano nuove tecnologie di sequenziamento hanno prodotto la prima sequenza genetica completa per la seta di ragno. Prima di ciò, i ricercatori erano costretti a utilizzare geni della seta troncati e le fibre prodotte utilizzando questi geni non erano forti e resistenti come la seta naturale.
Anche con la sequenza completa del gene della seta dragline, la produzione di seta artificiale è una sfida. Fare abbastanza proteine richiede una quantità maggiore di materiale di partenza rispetto a quella contenuta naturalmente dai batteri. Lavorando con i ricercatori del Korea Advanced Institute of Science and Technology di Daejeon e della Seoul National University, Kaplan ha aggiunto l'intero gene della seta a E. coli e quindi ha alterato il percorso di produzione delle proteine del batterio in modo che produca quantità sufficienti di amminoacidi necessari per consentire la produzione di seta. In precedenza, i batteri ingegnerizzati erano in grado di produrre solo decine di milligrammi di proteine per litro. Kaplan's E. coli produrre da uno a due grammi per litro.
Lo hanno dimostrato chiaramente E. coli può produrre queste grandi proteine e le ha progettate per avere le risorse per farlo, dice Randy Lewis , professore di biologia molecolare presso l'Università del Wyoming. Lewis prevede che sarà possibile utilizzare un sistema batterico per produrre quantità di chilogrammi di seta artificiale di ragno entro pochi anni.
Kaplan dice che è il suo piano. Ci piacerebbe trasformarlo in un processo di produzione continuo, dice.
Kaplan afferma che ora sono necessari metodi più efficienti dal punto di vista energetico per trasformare le proteine in fibre. Usando metodi di filatura simili a quelli usati per produrre fibre polimeriche come il poliestere, il suo gruppo ha creato fibre dalle proteine del team con proprietà paragonabili alla seta naturale in termini di resistenza, elasticità e tenacità. Tuttavia, poiché le proteine della seta di ragno sono delicate e insolubili in acqua, la loro trasformazione in fibre richiede un trattamento ad alta temperatura e solventi aggressivi.
Le fibre richiedono un'enorme quantità di energia per essere messe insieme, afferma Kaplan. Gli scienziati dei materiali vorrebbero realizzare le fibre di seta come fanno i ragni: a temperatura ambiente, senza solventi aggressivi.
Un nuovo approccio al problema è perseguito da Luca Lee , direttore del centro di nanotecnologia molecolare presso l'Università della California, Berkeley. Sta progettando sistemi di filatura che incorporano canali microfluidici progettati per fornire i gradienti di sale e solvente che si trovano nelle ghiandole dei ragni. Una società chiamata Materiali rifattorizzati , fondata dagli studenti di Lee e Voigt, sta lavorando anche al problema dello spinning.