La seda de la araña

Autores:

Arriaga Villavicencio Rafael

Hernández Martínez Marco Antonio

Hernández Rosales Mariana

Hernández Sánchez Ingrid Daniela

ÍNDICE

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Propiedades de la seda de araña

Propiedades generales, propiedades químicas, propiedades estructurales singulares, la estructura de la seda de araña en detalle molecular desde un planteamiento bioquímico y la masa molecular.

Posibles aplicaciones

Aplicaciones tradicionales de la seda de araña y aplicaciones futuras de la seda de araña.

Composición y secuencia

Regiones ricas en glicina y combinación de estructuras cristalina e irregular.

Obtención de seda de araña

Obtención de seda de araña a partir de la fuente natural y la producción artificial de seda de araña.

Biosíntesis de la seda

Síntesis proteica, estructura de la fibra y formación de la fibra.

Genes que codifican las espidroínas y Referencias

generales de la seda de araña

La seda de araña es una maravilla de la naturaleza, compuesta exclusivamente por proteínas Sus fibras son extraordinariamente delgadas, con un diámetro de aproximadamente 5 micrómetros A pesar de su delicadeza, es sorprendentemente resistente y ligera.

Una telaraña de tamaño medio, que cubre entre 50 y 100 cm², utiliza apenas unos 180 microgramos de proteína, haciéndola más ligera que el algodón.

Su resistencia es notable, ya que puede soportar temperaturas extremas que van desde -40 °C hasta 230 °C. Además, la seda de araña es notablemente resistente a la degradación, lo que la convierte en un material duradero y confiable.

Es importante destacar que la seda de araña es diferente de la seda producida por los lepidópteros, como el gusano de seda (Bombyx mori). Su composición y propiedades la hacen única en el reino animal, siendo un material fascinante tanto para la investigación científica como para posibles aplicaciones tecnológicas en el futuro

Figura 1.

PROPIEDADES DE LA SEDA DE ARAÑA

25 de marzo de 2024

Propiedades químicas de la seda de araña

La seda de araña exhibe una serie de comportamientos únicos en cuanto a su solubilidad y reactividad química Aunque no es soluble en agua, ácidos y bases diluidos, ni en la mayoría de los disolventes orgánicos comunes, sí se disuelve en ciertas condiciones específicas. Por ejemplo, es soluble en fórmico al 88% (v/v), en una mezcla de propiónico y ácido clorhídrico concentrados, así como en elevadas concentraciones de sales como LiBr, CaCl2 y otras sales de calcio, y en compuestos como LiSCN y LiClO4, que actúan como agentes caotrópicos. Sin embargo, su solubilidad en estos medios tiende a desencadenar su precipitación o formación de geles cuando se dializa o diluye con tampones usuales

La hidrólisis de la seda de araña es un proceso desafiante. Aunque es difícil de hidrolizar, se pueden obtener hexapéptidos o fragmentos más pequeños tratándola con HCl 6M durante 3 minutos a 155°C, con los hexapéptidos más abundantes identificados como GQGAG, GAGQG, GYGGLG y AAAA. Además, se pueden obtener aminoácidos libres tratando la seda con HCl 6M durante 16 horas a 108°C

La seda de araña también muestra una notable resistencia a la mayoría de las enzimas proteolíticas, lo que la convierte en un material excepcionalmente duradero y versátil en diversos contextos.

Figura 4

Figura 2

Figura 3

Propiedades estructurales singulares:

RESISTENCIA

A LA TENSIÓN:

En términos de resistencia a la tensión, supera con creces a otras fibras naturales como el pelo, la lana y la seda de gusano. Es especialmente notable su resistencia, siendo cinco veces más fuerte que el acero y tres veces más que el Kevlar®, una poliamida aromática conocida por su alta resistencia De hecho, la seda de araña es el material más resistente conocido en términos de fuerza aplicada por unidad de masa, lo que la hace extremadamente eficiente en términos de peso. A pesar de soportar cargas comparables al acero de alta resistencia, la seda de araña es mucho más ligera, siendo cinco veces más fuerte.

ELASTICIDAD:

En cuanto a su elasticidad, la seda de araña también destaca. Es aproximadamente el doble de elástica que materiales como la poliamida (nailon) y el Kevlar®, pudiendo estirarse hasta un 135% de su longitud original Estas propiedades elásticas y de resistencia permiten a las arañas tejer telarañas capaces de capturar insectos en vuelo sin romperse, ni permitir que los insectos se escapen al rebotar La combinación de estas características hace de la seda de

Tabla 2) Comparación de elasticidad con otros materiales

Posibles aplicaciones: La seda de araña como biomaterial

APLICACIÓNES TRADICIONALES

Los pescadores polinesios han empleado ingeniosamente los hilos de la araña tejedora dorada Nephila como sedal para pescar En los arrecifes de coral de lugares como Nueva Guinea, Nueva Irlanda, Nueva Bretaña y las Islas Salomón, utilizan una técnica peculiar: atan una cometa hecha de hojas de palma a la que cuelga un hilo y una telaraña, que sirve como cebo La telaraña, arrastrada por la superficie del mar, se asemeja a una masa grisácea borrosa, adornada con gotas brillantes que atraen a los peces aguja, cuyos dientes se enganchan en la tela, facilitando la captura.

En las Nuevas Hébridas, la versatilidad de la telaraña se aprovechaba para fabricar redes en las que transportaban puntas de flecha, veneno para las mismas y tabaco. Además, algunas tribus de Nueva Guinea empleaban las telarañas como sombrero para protegerse de la lluvia, demostrando así la variedad de usos que podían darle a este material natural en su entorno

APLICACIONES FUTURAS DE LA SEDA DE ARAÑA

La seda de araña presenta una amplia gama de aplicaciones futuras en diversos campos En el ámbito de la protección, se vislumbran posibilidades como la creación de ropa y calzado ligeros y resistentes al desgaste, así como chalecos antibalas, aprovechando su resistencia y ligereza. En el sector textil, se exploran tanto aplicaciones clásicas, como enzimas para procesamiento textil, como innovadoras, como el desarrollo de fibras que imiten el comportamiento enzimático. En medicina, se visualizan usos como suturas quirúrgicas, vendajes, piel artificial y ligamentos de reemplazo, gracias a su biocompatibilidad y propiedades antitrombóticas En estructuras, se considera su empleo en cinturones de seguridad, cuerdas, redes, paneles inoxidables y parachoques de automóviles, destacando su elasticidad, resistencia y ligereza. Finalmente, en tecnología, se exploran aplicaciones como nanocables conductores y nanofibras ópticas huecas, aprovechando las características únicas de la seda de araña para la fabricación de componentes avanzados.

Composición y Secuencia

A pesar de la diversidad existente y los millones de años de evolución de las arañas, todas sus sedas tienen una composición singular:

Glicina y alanina son mayoritarios (50-70%)

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

Las espidroínas 1 y 2 difieren en el contenido de Pro y Tyr: la espidroína 2

tiene más prolina; el resto es similar

REGIONES RICAS EN GLICINA:

“AMORFA”

Anteriormente se sugirió una conformación irregular (“amorfa”), pero el modelo actual las contempla como estructuras bastante regulares, ordenadas y dispuestas paralelamente al eje de la fibra. Se trata de hélices 3(1), una conformación bastante alargada, que permitirían un empaquetamiento eficaz mediante enlaces de hidrógeno intercatenarios

Asimismo presentan secuencias inusuales de aminoácidos repetidos: poli(A): Regiones ricas en Ala, con estructuras cuasi-cristalina poli(GA): Regiones ricas en Gly, con estructuras más desordenadas. poli(GGX): Secuencia más abundante en la espidroína 1 poli(GPGXn),(GGYGPG)n, (GPGQQ)n (GPGGX)n y (GPGQQ)n: Principales en la espidroína 2 (formando espirales beta). GLGXQG: Formando un giro beta

COMBINACIÓN DE ESTRUCTURAS

CRISTALINA E IRREGULAR

La combinación de las zonas cristalinas ricas en alanina (microcristales), y las zonas de conformación flexible ricas en glicina, dan origen a las singulares propiedades de la seda de araña. Durante la deformación responsable de la elasticidad, sólo cambia la región “amorfa”, estas regiones inicialmente aportan resistencia a la deformación, pero para mayores valores de ésta, comienzan a comportarse como bandas elásticas.

Figura 5

Figura 6

Figura 7

Figura 8

OBTENCIÓN DE LA SEDA DE ARAÑA

Obtención de seda

A partir de la fuente natural:

El principal desafío, en comparación con la obtención de seda de gusano, radica en la considerable dificultad de criar arañas Esto se debe a que son criaturas con hábitos de vida solitarios y territoriales. Cuando se encuentran con otros de su especie, tienden a pelear e incluso a devorarse entre sí

Como resultado, la cría de arañas para obtener su seda es impracticable Además de la dificultad inherente en recolectar la seda de manera utilizable, ya que se podría recolectar los capullos, pero la seda con las mejores propiedades mecánicas es la de suspensión o el hilo de seguridad, así como los hilos de la tela orbicular

Por ingeniería genética:

Se puede obtener gran cantidad de las espidroínas y luego preparar fibras con ellas, queda el reto de que este hilado proporcione fibras con las propiedades de las naturales

Las técnicas de ingeniería genética permiten la obtención de una proteína en sistemas ajenos a la especie original, por ejemplo:

Figura 9.

Figura 10

BIOSÍNTESIS DE LA SEDA DE ARAÑA

BIOSÍNTESIS

La síntesis de proteínas se llevan a cabo en las células constituyentes de las glándulas, de la misma forma en la que ocurre con cualquier proteína; lo interesante de la biosíntesis de la seda de araña es que esta se relaciona con la forma de organización en fibras de las moléculas

SÍNTESIS PROTEICA

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ESTRUCTURA DE LA FIBRA

La fibra posee un núcleo central envuelto por capas concéntricas de nanofibrillas de glicoproteína, las cuales se encuentran paralelas al eje de la fibra o enroscándose en espiral al rededor suyo; este núcleo está constituido de proteínas, las cuales se conocen popularmente como espidroínas

FORMACIÓN DE LA FIBRA

Las glándulas están especializadas en la síntesis de espidroínas (proteínas componentes de la seda). Estas proteínas suponen el 50% del peso total de la glándula de arañas como la Nephila clavipes o Araneus diadematus. Gracias a su 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.

Para lograr estas maravillosas estructuras primero las proteínas se acumulan en el interior de la glándula en una disolución de pH ácido con una concentración que puede llegar a variar entre 30 a 50 % en masa; posterior a esto las moléculas de espidroína se organizan hasta formar un cristal liquido el cual al llegar a 4mm de la salida se transforma en un filamento sólido insoluble

En la formación, el contenido de láminas beta aumenta, lo que comúnmente se relaciona a la formación de más enlaces de hidrógeno Cuando las espidroínas se despliegan revelan zonas hidrófobas lo cual les ayuda para poder agregar o expulsar el agua de solvatación que contenían

Antes de salir se separan más moléculas de agua y al momento en que sale la hebra el ultimo resto de agua se evapora rápidamente; es gracias a esto que la araña puede recuperar casi toda el agua para poder seguir produciendo su seda

Un dato muy interesante es que las arañas son capaces de hilar a una velocidad de entre 2 a 80 cm por segundo; realmente los arácnidos son animales sorprendentes.

Figura 11.

Figura 12

El obstáculo principal, en particular por comparación con la obtención de seda de gusano, es que resulta muy difícil criar arañas Esto se debe a que son animales con hábitos de vida solitarios y territoriales, que al encontrar a otros congéneres se pelean e incluso se devoran

Por ello, no es posible criar arañas para obtener su seda (aparte de la dificultad que entraña el recoger la seda en una forma aprovechable; se podrían recoger los capullos, pero la seda con mejores propiedades mecánicas es la de suspensión o hilo de seguridad y los hilos de la tela orbicular).

La siguiente opción, pues, es obtener las espidroínas y luego preparar fibras con ellas

Referencias bibliográficas

De información:

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De imágenes:

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Figura 11 Perea, B (2010) Tipos de sedas producidos por las arañas [Dibujo] ResearchGate Recuperado de https://www researchgate net/figure/Tipos-de-sedas-producidos-por-las-aranas fig1 46267674

Figura 12 Maite (2019) Tipos de sedas araña [Dibujo] Eresciencia Recuperado de https://eresciencia com/la-asombrosa-seda-de-arana/tipos-de-seda-arana-3/

Figura 13 Carvajal, C (2022) El chaleco antibalas del futuro está hecho de proteínas [Fotografía] Computer Recuperado de https://computerhoy com/life/chaleco-antibalas-futuro-hecho-proteinas-1170480