La seda de la araña

Una tela de araña orbicular bañada de rocío. FOTOGRAFÍA DE BRIAN GORDON GREEN, NAT GEO IMAGE

PROPIEDADES GENERALES

La seda de araña, una maravilla de la naturaleza, está compuesta exclusivamente por proteínas, lo que la hace un material fascinante Sus fibras son notablemente finas, con un diámetro de aproximadamente 5 micrómetros, lo que las convierte en una de las estructuras más delgadas A pesar de su delicadeza, su resistencia es sorprendente: una telaraña típica de 50 a 100 cm2 utiliza unos 180 microgramos de proteína, lo que la hace incluso más liviana que el algodón

PROPIEDADES ESTRUCTURALES

El interés de la seda de araña reside en que es uno de los pocos casos donde se dan a la vez resistencia a la tensión y elasticidad La seda de araña destaca por su excepcional resistencia a la tensión, superando con creces a otros materiales comunes:

- Es considerablemente más resistente que el pelo, la lana y la seda de gusano

- Posee una resistencia cinco veces superior a la del acero

- Es tres veces más fuerte que la aramida, conocida comercialmente como Kevlar

La versatilidad de la seda de araña se manifiesta también en su capacidad para resistir condiciones extremas de temperatura, soportando desde -40 °C hasta 230 °C Es importante destacar que esta seda es diferente de la seda producida por lepidópteros, como el gusano de seda (Bombyx mori), lo que añade un elemento único a su singularidad

PROPIEDADES QUÍMICAS

La seda de araña presenta propiedades únicas en cuanto a su solubilidad y resistencia a la hidrólisis:

- Es soluble en fórmico al 88% (v/v), en mezcla propiónico + clorhídrico concentrados, así como en sales como LiBr, CaCl2 y otras sales de calcio, y en LiSCN y LiClO4, que son fuertemente caotrópicos

- Tras disolverla, si se dializa o diluye con tampones usuales, puede precipitarse o formar geles, probablemente debido a la formación de láminas beta

- Es difícil de hidrolizar, aunque se pueden obtener hexapéptidos o fragmentos menores mediante tratamiento con HCl 6M durante 3 minutos a 155°C Los más comunes son GQGAG, GAGQG, GYGGLG y AAAA

- También se pueden obtener aminoácidos libres mediante tratamiento con HCl 6M durante 16 horas a 108°C

- Destaca por su resistencia a la mayoría de las enzimas proteolíticas, lo que subraya su durabilidad y estabilidad Estas características hacen que la seda de araña sea un material de gran interés en diversos campos científicos y tecnológicos

La seda de araña es reconocida como el material más resistente conocido en términos de fuerza aplicada por unidad de masa

Aunque existen materiales que pueden soportar más fuerza, suelen ser más pesados en comparación Al compararla con el acero de alta resistencia tensil y con el kevlar, se destaca que la seda de araña requiere más fuerza para romperse por unidad de masa

Para ilustrar su sorprendente relación entre fuerza y masa, se puede considerar que tanto la seda de araña como el acero pueden soportar el mismo peso para un diámetro dado Sin embargo, el acero pesa cinco veces más que la seda En otras palabras, la seda es cinco veces más fuerte en términos de fuerza aplicada por unidad de masa

La elasticidad es una característica distintiva de la seda de araña, con notables ventajas sobre otros materiales similares:

- La elasticidad de la seda es el doble de la poliamida (nailon) y la aramida (Kevlar), lo que la convierte en un material excepcionalmente flexible y resistente

- La seda de araña puede estirarse hasta alcanzar un 135% de su longitud inicial, demostrando una sorprendente capacidad de deformación sin perder su integridad estructural

Estas propiedades elásticas son esenciales para las arañas en la captura de insectos voladores, ya que les permite tender sus telarañas de manera efectiva sin que se rompan ni que los insectos reboten al entrar en contacto con ellas

Para dimensionar su impactante elasticidad en una escala mayor, se ha estimado que una fibra de seda de araña con el grosor de un lápiz tendría la capacidad de detener un avión Boeing 747 en pleno vuelo (imagen 2) Este dato ilustra la extraordinaria resistencia y flexibilidad de la seda de araña Esas mismas propiedades hacen de la seda de araña un biomaterial de interés aplicado

IMAGEN 2 DELICADA TELA DE ARAÑA ORBICULAR

POSIBLES APLICACIONES: LA SEDA DE ARAÑA COMO BIOMATERIAL

Protección Estructuras

ROPA Y CALZADO LIGEROS

RESISTENTES AL DESGASTE

CHALECOS ANTIBALAS

GRACIAS A SU RESISTENCIA Y LIGEREZA

CINTURONES DE SEGURIDAD CUERDAS DE PARACAÍDAS, CUERDAS, REDES CABLES DE SUSPENSIÓN DE PUENTES

PANELES INOXIDABLES PARA BARCOS Y VEHÍCULOS DE MOTOR

PARACHOQUES DE AUTO

GRACIAS A SU ELASTICIDAD, RESISTENCIA Y LIGEREZA

Medicina Textil

SUTURAS QUIRÚRGICAS VENDAJES

PIEL ARTIFICIAL

LIGAMENTOS DE REEMPLAZO (INJERTOS), TENDONES

ARTIFICIALES

SOPORTE PARA VASOS

SANGUÍNEOS DEBILITADOS

GRACIAS A SU BIOCOMPATIBILIDAD

Tecnología

NANOCABLES CONDUCTORES

NANOFIBRA ÓPTICA HUECA

CLÁSICO: ENZIMAS PARA EL PROCESADO TEXTIL: DESENCOLADO, LAVADO.

NUEVO: FIBRAS QUE SIMULEN EL COMPORTAMIENTO ENZIMÁTICO. ALGODONES TRANSGÉNICOS

CON PROPIEDADES MEJORADAS (LONGITUD, RESISTENCIA, RESILIENCIA, REACTIVIDAD, ABSORCIÓN )

POLI(ÁCIDO LÁCTICO) [PLA]

Otros

BOTELLAS BIODEGRADABLES

IMAGEN 7 ESTRUCTURA DE LÁMINA BETA

IMAGEN 8 ENLACES DISULFURO

ESTRUCTURA A ESCALA

MOLECULAR

En 1907, se logró determinar que la seda está compuesta principalmente por proteínas gracias al análisis de aminoácidos, una técnica pionera en aquel entonces Sin embargo, el estudio de la estructura tridimensional de estas macromoléculas requería métodos más avanzados

La técnica de difracción de rayos X fue crucial para elucidar la estructura de la proteína de la seda Este análisis reveló que su estructura predominante es de lámina beta, con algunas regiones desplegadas sin una estructura secundaria regular (imagen 7)

Se cree que la seda del hilo de suspensión está compuesta por dos proteínas principales, conocidas como espidroína I y espidroína II La primera contiene los aminoácidos G, A, Q, Y, L, S y N, mientras que la espidroína II contiene G, A, Q, Y, S y P Estas secuencias fueron deducidas a partir de la secuenciación génica

La asociación entre las espidroínas I y II parece ser estrecha, aunque aún no se ha logrado determinar la masa molecular individual de cada una de ellas Se especula que esta asociación podría implicar enlaces disulfuro

La electroforesis de la seda de araña, específicamente del hilo de suspensión, bajo condiciones desnaturalizantes, revela la presencia de dos especies moleculares de menor masa molecular tras la reducción de la muestra con DTT Este fenómeno sugiere la existencia de enlaces disulfuro (imagen 8) que al romperse con DTT, permiten la separación de las dos especies moleculares, proporcionando así una comprensión más profunda de la estructura y composición de la seda de araña

PLANTEAMIENTO BIOQUÍMICO

Es importante aclarar que, a menos que se indique lo contrario, nos referiremos al hilo producido por la glándula ampulácea mayor, conocido como hilo MAS (Major Ampullate Gland Silk) Este hilo es fundamental para las arañas que tejen telas orbiculares, ya que lo utilizan para construir el marco y los radios de la tela, así como para su propio hilo de seguridad

En términos generales, la proteína que compone la seda se conoce como fibroína Sin embargo, en el caso específico de la seda de araña, esta está constituida por una mezcla de dos proteínas principales, denominadas espidroínas 1 y 2 (o I y II) Estas espidroínas desempeñan un papel crucial en la extraordinaria resistencia y elasticidad de la seda de araña

Más recientemente, los nombres recomendados para las espidroínas son más específicos

NCMAG1 y NCMAG2 para las de la araña tejedora dorada (Nephila clavipes major ampullate gland)

Nephila clavipes

Araña tejedora dorada

Araña dorada

Araña de hilo dorado

(golden silk spider, golden silk orbweaver, banana spider, calico spider)

Sur de EE UU A , América Central, América del Sur (en especial zona norte)

Especies próximas en el Pacífico Sur, sudeste de Asia y Madagascar

ADMAG1 y ADMAG2 para las de la araña de jardín europea (Araneus diadematus major ampullate gland)

Araneus diadematus

Araña de jardín europea (garden cross spider)

Europa occidental y del norte, norte de EE UU A

Las fibroínas (no sólo las de la seda de araña, sino también la proteína mayoritaria de la seda del gusano) son proteínas grandes (>250 kDa) con una elevada proporción de aminoácidos pequeños, fundamentalmente alanina y glicina, que aparecen agrupados en regiones determinadas de la secuencia

COMPOSICIÓN Y SECUENCIA

A pesar de cierta diversidad (téngase en cuenta que las arañas verdaderas llevan evolucionando más de 200 millones de años, cuando se separaron evolutivamente de otras arañas como las actuales tarántulas, y de otros animales que producen seda), todas las sedas de araña tienen en común una composición singular:

Glicina y alanina son muy mayoritarios, superando la mitad del total de aminoácidos (50-70%); por ejemplo, un 42% Gly y un 25% Ala

Los siguientes más abundantes son Gln, Ser, Leu, Val, Pro, Tyr y Arg

Las espidroínas 1 y 2 difieren principalmente en el contenido de Pro y Tyr: la espidroína 2 tiene más prolina; el resto es similar

Por ejemplo, en las espidroínas NCMAG2 y ADMAG1 los aminoácidos G, A, P, S y T suman el 99%

Asimismo, presentan secuencias inusuales de aminoácidos repetidos, según unos pocos patrones:

poli(A): regiones ricas en Ala, con estructura cuasi-cristalina De 4 a 9 residuos de Ala en cada bloque Por ejemplo, es frecuente la secuencia (ASA6)n

poli(GA): regiones ricas en Gly, con estructura más desordenada

poli(GGX): es la secuencia más abundante en la espidroína 1.

poli(GPGXn), (GGYGPG)n, (GPGQQ)n (GPGGX)n y (GPGQQ)n son las principales en la espidroína 2 (formando espirales beta)

GLGXQG: formando un giro beta

En comparación con la seda de gusano, la de todas las arañas tiene menos Gly, Ala y Ser, formando menos hoja beta y más hélice

En la estructura de la seda de araña se encuentran dos tipos de regiones: unas ordenadas, denominadas cristalinas, y otras de estructura menos regular, antes llamadas amorfas, aunque ahora se sabe que esto no es estrictamente correcto

IMAGEN 10 NEPHILA CLAVIPES

IMAGEN 11 ARANEUS DIADEMATUS

BIOSÍNTESIS DE LA SEDA

La síntesis de las proteínas componentes de la seda tiene lugar en las células constituyentes de las glándulas, de acuerdo con los mecanismos comunes de síntesis de cualquier proteína (expresión de los genes mediante la transcripción, maduración, postranscripcional de los ARN mensajeros resultantes y traducción de éstos en los ribosomas)

Los aspectos peculiares de la biosíntesis de la seda de araña están relacionados con la forma como las moléculas de proteína se organizan en fibras

Aquí se incluye únicamente las consideraciones bioquímicas, aunque para comprender mejor el proceso de hilado es preciso considerar aspectos anatómicos y morfológicos de la araña y sus glándulas

1. SÍNTESIS PROTEICA

Las glándulas están especializadas en la síntesis de espidroínas, las proteínas componentes de la seda En las arañas tejedoras orbiculares mejor estudiadas, los componentes principales del núcleo de la fibra de seda son dos espidroínas:

En Nephila clavipes: MaSpI o NCMAG1 y MaSpII oNCMAG2 (de Major ampullate spidroin y Nephila clavipes major ampullate gland)

En Araneus diadematus: ADF-3o ADMAG1 y ADF-4 oADMAG2 (de Araneus diadematus fibroin y Araneus diadematus major ampullate gland)

Estas proteínas suponen el 50% del peso total de la glándula de una de estas arañas

Debido a la peculiar composición de aminoácidos de la seda, las células de la glándula secretora poseen una dotación superior a lo normal de los tRNAs específicos para Gly y Ala

3. FORMACIÓN DE LA FIBRA

2. ESTRUCTURA DE LA FIBRA

Fibras de seda observadas bajo el microscopio electrónico

La fibra tiene un núcleo central constituido por las proteínas, denominadas de forma genérica espidroínas

Ese núcleo está envuelto por capas concéntricas de nanofibrillas de glicoproteína (con moléculas en forma de varilla), dispuestas paralelamente al eje de la fibra o bien enroscándose en espiral a su alrededor

IMAGEN 12. FIBRA DE ADF-3

IMAGEN 13. FIBRA DE ADF-3

IMAGEN 14. HILO DE SEDA DE SEGURIDAD DE NEPHILA CLAVIPES

Las proteínas se acumulan en el interior de la glándula en una disolución de pH ácido, con una concentración de 30 a 50% en masa

Según van avanzando a lo largo de la glándula, las largas moléculas de espidroína se van organizando, hasta formar un verdadero cristal líquido Un poco antes de llegar al extremo de la glándula (hilera), a unos 4 mm de la salida al exterior, se convierte bruscamente en una hebra sólida, insoluble

¿Cómo es este extraordinario proceso de formación de la fibra? Se ha comprobado que en él aumenta el contenido de lámina beta, lo cual se cree que está relacionado con la formación de más enlaces de hidrógeno en ellas Las espidroínas se despliegan revelando zonas hidrófobas, por lo que se agregan y expulsan el agua de solvatación que contenían Justo antes de salir se separan más moléculas de agua y el último resto se pierde luego, tras salir la fibra al exterior, por evaporación rápida De este modo la araña recupera, recicla, casi toda el agua, lo cual es muy importante para que el continuo proceso de hilado no la perjudique

La araña es capaz de hilar a una velocidad de entre 2 y 80 cm por segundo

GENES QUE CODIFICAN LAS ESPIDROÍNAS

Para intentar sintetizar a gran escala las proteínas constituyentes de la seda de araña, la principal herramienta es la ingeniería genética Para ello es esencial ubicar y conocer los genes que codifican estas proteínas

En este estudio se han venido empleando algunas sondas de oligonucleótido que, mediante ensayos de hibridación, permitirán ubicar en el genoma los genes de interés

OBTENCIÓN DE SEDA DE ARAÑA

FUENTE NATURAL

El principal desafío para obtener seda de araña, en comparación con la seda de gusano, radica en la dificultad de criar arañas en condiciones controladas Esto se debe a que las arañas son animales solitarios y territoriales que tienden a pelear e incluso a devorarse entre sí al encontrarse

Debido a estas complejidades en su comportamiento, no es práctico criar arañas con el propósito de obtener su seda Además, la recolección de la seda en una forma utilizable presenta dificultades adicionales; mientras que los capullos podrían ser recolectados, la seda de mayor calidad mecánica se encuentra en los hilos de suspensión o hilo de seguridad, así como en los hilos de la tela orbicular

Ante esta situación, la alternativa más viable es obtener las espidroínas y luego utilizarlas para preparar fibras de seda de araña Este enfoque ofrece un camino más factible para aprovechar las valiosas propiedades de este extraordinario material en diversos campos científicos y tecnológicos

PRODUCCIÓN ARTIFICIAL

La siguiente opción prometedora es obtener una gran cantidad de espidroínas y luego emplearlas en la preparación de fibras de seda de araña Sin embargo, un desafío importante es asegurar que este proceso de hilado produzca fibras con las mismas propiedades que las naturales

Afortunadamente, las técnicas de ingeniería genética ofrecen una solución potencial. Estas técnicas permiten la obtención de una proteína específica en sistemas que son distintos a la especie original de donde proviene Por ejemplo:

IMAGEN 15. UNA ARAÑA SE POSA EN SU TELA

Cabras transgénicas

La empresa Nexia Biotechnologies, con sede en Canadá, ha alcanzado un logro destacado al desarrollar un método para clonar el gen de la espidroína en embriones de cabra Este innovador proceso conduce a la creación de cabras que, una vez alcanzan la edad adulta, son capaces de producir y secretar esta proteína de seda a través de su leche Esta técnica revolucionaria facilita enormemente la extracción y purificación de la proteína, representando un avance significativo en la producción de seda

La seda recombinante resultante y el proceso utilizado para su obtención se han patentado bajo el nombre de Biosteel®, que se traduce literalmente como "bioacero" Este material ofrece una amplia gama de aplicaciones potenciales, que incluyen suturas quirúrgicas, vendajes y chalecos antibalas, entre otros productos innovadores

Sin embargo, a pesar de estos avances, persiste un desafío importante: desarrollar una tecnología de hilado que pueda emular fielmente las propiedades únicas de la seda de araña natural Actualmente, se utiliza un método que implica la extrusión en un líquido para eliminar el agua de la seda, pero este proceso aún no ha sido perfeccionado a una escala de producción eficiente. A pesar de este obstáculo, el potencial de la seda recombinante como material revolucionario en diversas industrias sigue siendo extraordinario

REFERENCIAS

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Arañas afinan sus telarañas para poder “sentir” a sus presas (2016, octubre 20) La Tercera

https://www latercera com/noticia/aranas-afinan-telaranas-poder-sentir-presas/ Colombia, C (2016, octubre 20) Cinturón de seguridad para todos Revista Autocrash - CesviColombia; Cesvi Colombia

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Hernandez, M (2019) Suturas quirúrgicas Konstela com Recuperado el 24 de marzo de 2024, de https://blog konstela com/suturas-quirurgicas/

La seda de araña: uno de los materiales más versátiles del planeta. (2019, septiembre 16). National Geographic. https://www nationalgeographic es/animales/2019/09/seda-de-arana-materiales-mas-versatiles-del-planeta Muñoz, L N (2016, diciembre 5) Zapatillas biodegradables de fibra de seda de araña artificial de Adidas Experimenta es; Experimenta https://www experimenta es/noticias/industrial/zapatillas-biodegradables-de-fibra-de-seda-de-aranaartificial-de-adidas/

GALLEGO, J L (2020, NOVIEMBRE 18) ¿POR QUÉ HAY TANTAS TELARAÑAS ESTOS DÍAS EN EL CAMPO? LA VANGUARDIA

HTTPS://WWW LAVANGUARDIA COM/NATURAL/ECOGALLEGO/20201118/49523340380/POR-QUE-HAY-TANTASTELARANAS-ESTOS-DIAS-EN-EL-CAMPO HTML

MAS, P (2022, SEPTIEMBRE 22) ¿POR QUÉ LA TELA DE ARAÑA ES UNO DE LOS MATERIALES MÁS RESISTENTES DE LA NATURALEZA? DIARIO DE NOTICIAS DE NAVARRA HTTPS://WWW NOTICIASDENAVARRA COM/CIENCIA-YTECNOLOGIA/2022/09/22/TELA-ARANA-MATERIALES-RESISTENTES-NATURALEZA-6039224 HTML