Práctica: Proteínas-Seda de Araña (667)

Equipo: Las procariotas

Estaraneta Rodríguez Abigail Moreno Vizcaíno Karla Elizabeth Murillo Segoviano Ximena Yunuhen Pinillos Lazcano Ximena

Grupo: 667 Fecha: 02/10/2021

SEDA DE ARAÑA

LA SEDA QUE ESTÁ REVOLUCIONANDO NUESTRA VIDA

ÍNDICE Aspectos y propiedades generales de la seda de araña .................................................................1 Propiedades químicas y estructura de la seda.......................2 Propiedades estructurales y mecánicas de la seda................3 Aplicaciones.............................................................................4 Biosíntesis de la seda..............................................................6 Genes y obtención.................................................................7-8 Referencias...............................................................................9

SEDA DE ARAÑA La seda de araña ha atraído el interés de científicos e investigadores durante miles de años. Debido a sus extraordinarias propiedades que la hacen uno de los materiales más resistentes que se encuentran en la naturaleza y con múltiples aplicaciones

ASPECTOS GENERALES

ANATOMÍA DE LA ARAÑA

Se han descrito con detalle alrededor de 34,000 especies de arañas, las cuáles varían en tamaño desde menos de un milímetro hasta aproximadamente 90 mm. Son criaturas depredadoras, principalmente de insectos. (Askarieh et al. 2010)

Cerebro

Saco pericardio Opositoma

Ojos

Ano

En el extremo posterior del abdomen (opositoma), se hallan las hileras; que constituyen la terminación o la parte externa de las glándulas sericígenas o productoras de seda.

COMPOSICIÓN DE LA SEDA

Estómago bombeador

Hileras Quelíceros

Figura 1

Glándulas del veneno

Pulmón

Glándulas

Ovario

sercígenas

La seda es un polímero natural formado a nivel molecular por cadenas de componentes proteicos amorfas (sin forma definida) y otras regiones más ordenadas, denominadas ‘láminas beta’.

-Carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O) y nitrógeno (N) Se compone principalmente de proteínas con grandes PROPIEDADES GENERALES cantidades de aminoácidos.

A pesar de la diversidad y evolución de las arañas todas -Las fibras son muy delgadas, con un diámetro aproximado de 5 micrómetros las sedas tienen en común una composición singular: -Es muy ligera, más que el el algodón Glicina y alanina (50-70%) -Difícil de disolver o degradar Glutamina, Serina, Leucina, Valina, Prolina, Tirosina y Arginina en menor medida.

-Resiste hasta -40 °C y hasta 230 °C Las arañas pueden desarrollar materiales y tejidos con -Es diferente de la seda de lepidópteros (como el gusano de propiedades diferentes según la finalidad de la seda. seda, Bombyx mori).

Con excepción de la prolina, la estructura de los -Las secuencias de aminoácidos son altamente repetitivas aminoácidos consiste en un átomo de carbono central unidos por enlaces peptídicos (conocido como carbono alfa), unido al grupo amino, -Las proteínas que la forman se denominan espidroínas al grupo carboxilo y a un átomo de hidrógeno (spidroins) Masa molecular aparente en 275 kDa y 320 kDa Cada una con características distintas codificadas por un tipo de gen y que requieren ser generadas en una glándula Figura 2 específica.

Esquema de seda fageliforme, ampulácea mayores y menores de la araña cruza de jardín

Araneus diadematus

Un arácnido podría tener hasta 7 glándulas productoras de hilo y cada una de ellas elabora una fibra o un tipo de hilo con propiedades mecánicas y fisicoquímicas según su finalidad, que dependen de la secuencia de aminoácidos de la espidroína.

Figura 4

GLÁNDULA

FUNCIÓN

Seda estructural o dragalina Ampulácea mayor

Espiral de captura y auxiliar

Seda de captura o de bandera

Ampulácea menor

Flageliforme

Radios, marcos Marco y y línea de vida espirales (escape de auxiliares depredadores) Resistencia y Resistencia viscoelasticidad

Recubrimiento acuoso pegajoso Agregada

Captura de Adhisión de presas presas, y Deformabilidad aporta (elástica) y humedad a la resistencia estructura

Figura 3

Interior del huevo

Recubrimiento protector del huevo

Piriforme

Aciniforme

Cilndriforme

Fijación al sustrato y distribución de tensiones Acuosa y pegajosa

Momificación de presas y alcochado interior de huevos

Estructura de los huevos, reproducción 1

Refuerzo de juntas

Se han realizado varios métodos de rayos X , RMN y electroforesis para conocer la estructura y composición de la seda

SEDA DE ARAÑA PROPIEDADES QUÍMICAS

Difícil de hidrolizar: Hexapéptidos o fragmentos menores con HCl 6M, 3 min a 155°C Aminoácidos libres en HCl 6M, 16 h a 108°C Resiste la mayoría de enzimas proteolíticas

Es soluble en fórmico 88% (v/v) y en mezcla propiónico + clorhídrico concentradas. En elevadas concentraciones de sales: LiBr, CaCl2 y otras sales de Calcio, así como, en LiSCN y LiClO4 (fuertemente caotrópicos).

Al disolverla y dializarse o diluirse con los tampones usuales se precipita o forma geles.

Las arañas pueden sintetizar las macromoléculas polipeptídicas sin que coagulen, debido a las interacciones de tipo puente de H y su capacidad de ajustar el pH durante el proceso (Askarieh, et al. 2010)

ESTRUCTURA DE LA SEDA El hilo de seda, producido en la ampulácea mayor de las arañas de tela orbicular es llamado hilo MAS (de Major

Nephila clavipes

Ampullate gland Silk)

Araneus diadematus

En ella se han identificando 2 proteínas - espidroínas (I y II) MASp1 y MASp 2 Aunque hay información limitada sobre la composición de las diversas sedas las dragalinas de la tejedora orbe dorada Nephila clavipes y la araña cruz de jardín Araneus diadematus son las más estudiadas.

(Winkler S, Kaplan DL. 2000)

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

Espidroínas Figura 5 Espidroínas Figura 6 ADMAG1 y ADMAG2 NCMAG1 y NCMAG2 Araneus diadematus major Nephila clavipes major ampullate gland ampullate gland

Patrones de secuencias aminoácidos

Códigos de aminoácidos

poli(A) Regiones ricas en Ala, con estructura cuasi-cristalina.

De 4 a 9 residuos de Ala en cada bloque (láminas β) poli(GA) Regiones ricas en Gly, con estructura más desordenada poli(GGX) Secuencia más abundante en la espidroína 1

Secuencias principales en la espidroína 2 (formando espirales β) poli(GPGXn), (GGYGPG)n, (GPGQQ)n (GPGGX)n y (GPGQQ)n

GLGXQG Formando un giro β GPYGPGASAAAAAAGGYGPGSGQQ

X= A, S o Y

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

GPGQQGPGQQGPGQQGPGQQ

Modulos repetitivos

Ejemplo de secuencias de aminoácidos en Araneus diadematus (ADMAG1)

Repetición 20-100 veces

Señal de secreción

Dominio central altamente repetitivo rodeado por 2 dominios no repetitivos (dominio aminoterminal: NRN; dominio carboxiterminal: NRc Figura 7

Unión de aminoácidos no polares e hidrófobos, predominan la alanina y la glicina. (Vollrath F. 2000)

Seda MAS Combinaciones cristalinas y cadenas flexibles

Regiones ricas en Al

Ricas en alanina

Forman estructuras de tipo lámina β (cadenas fuertemente asociadas por puentes de hidrógeno), regiones de alta densidad electrónica, generan bloques muy cristalinos. Brinda resistencia (Kubik S. 2002)

Ricas en glicina

Regiones ricas en Gly

Figura 8

Forman estructuras más irregulares o amorfas con hélices 3(1), conformación muy alargada, de baja intensidad electrónica; permite un empaquetamiento eficaz mediante enlaces de hidrógeno intercatenarios.

Brinda elasticidad (Hayashi et al. 1999)

Puentes de hidrógeno

Figura 8

Presencia de regiones altamente cristalinas combinadas con regiones más amorfas, responsables de sus propiedades mecánicas

Subunidades cristalinas ricas en hojas β incrustadas en la estructura amorfa conectadas covalentemente, (coexistencia de fuerza y ​ductilidad)

2

PROPIEDADES ESTRUCTURALES: LA SEDA DE ARAÑA COMO BIOMATERIAL

TERMOGRAMA MECÁNICO-DINÁMICO-TÉRMICO

Es el material más resistente conocido, en términos de fuerza aplicada por unidad de masa Se puede estirar hasta alcanzar un 135% de su longitud inicial. La elasticidad de la seda es 2 veces superior a la de la poliamida (nailon) y la aramida (Kevlar).

Figura 9

Figura 10

Los hilos de seda pueden absorber 3 veces más energía que el Kevlar (poliamida de p-fenilenodiamina y tereftálico), uno de los materiales más resistentes en función del peso (Kubik S. 2002)

*Araña de jardín- Araneus diadematus

Figura 12

PROPIEDADES MECÁNICAS

RESISTENCIA A LA TENSIÓN

La variabilidad de sus propiedades se relacionan con su grado de alineación molecular y dependen en gran medida de la humedad y la temperatura.

Tabla 1

Tabla 2

Fuerza: Tiene una resistencia a la tracción de aproximadamente 1,3 GPa. (Giffriths et al. 1980) Densidad: Es un material mucho más denso que el acero, un peso dado de la seda de araña es 5 veces más fuerte que el mismo peso del acero (Ganio et al. 2002) Densidad energética: La densidad de la seda de araña dragalina es aproximadamente de 1,2 x 10°8 J/m3 (Porter et al. 2005) Extensibilidad: Es extremadamente dúctil y puede estirarse hasta 5 veces su longitud relajada sin romperse.

Dureza: Tiene una tenacidad muy alta que iguala a la fibra polimérica (Vollrath et al. 2001) Temperatura: Puede mantener su resistencia de -40 °C y hasta 230 °C, sus fibras presentan una transición vítrea que depende de la humedad (Plaza et al. 2006) Supercontracción: Cuando la seda se expone al agua experimenta una supercontracción, encogiéndose hasta un 50% en longitud y comportándose como una goma débil bajo tensión. (Plaza et al. 2006) Máximo rendimiento: La seda de araña más resistente es la de la araña de la corteza de Darwin (Caerostris darwini), siendo 10 veces más resistente que el Kevlar, su tenacidad tiene un promedio de 350 MJ/m3 (Agnarsson et al. 2010)

ELASTICIDAD

Aumento de longitud por estiramiento (100% = fibra se estira al doble de su longitud inicial)

TENSIÓN-DEFORMACIÓN

PROPIEDADES MECÁNICAS DE FIBRAS NATURALES Y SINTÉTICAS [Gpa] [g cm −3]

Tabla 3 Figura 11

*Araña de jardín- Araneus diadematus #Gusano de seda Bombyx mori

[%]

[MJ m −3 ]

3

POSIBLES APLICACIONES Su aplicación logrará una nueva era de materiales ecológicos. Durante la última década ha habido un progreso considerable en la comprensión de la organización genética que codifica las sedas de araña. La clonación y expresión de los genes de la seda, el auto-ensamblaje y el procesamiento de la seda de araña en muchos formatos de materiales ha mejorado.

(Tokareva et al. 2014)

Gracias a sus propiedad únicas, se ha buscado replicarla, creando desafíos futuros que incluirán el aumento de la producción de seda y el análisis a nivel molecular de la nanoestructura.

FUTURAS

Los avances en la ingeniería genética han logrado la expresión heteróloga de sus proteínas en una variedad de sistemas hospedadores, así como, la formación de nuevos materiales a partir de proteínas de seda derivadas de DNA recombinante, siendo una opción viable en muchas áreas de aplicación nuevas. (Kluge et al. 2008)

Si la producción de seda de araña llega a ser industrialmente viable, podría reemplazar al Kevlar y usarse para fabricar una amplia gama de artículos.

TEXTILES

ESTRUCTURAS

Puede ser reemplazo del algodón, nailon, Kevlar y Twaron, que son materiales contaminantes.

- Crea chalecos antibalas - Ropa y calzado resistente al desgaste (Murugesh K. 2019)

Gracias a su resistencia, ligereza y elasticidad, es posible crear: - Cinturones de seguridad.

- Cuerdas de paracaídas, de alpinismo y redes - Cables de suspensión de puentes - Paneles de control para barcos o autos - Parachoques de autos. (Murugesh K. 2019)

Figura 15

Figura 16

Figura 14. Remplaza mariales comunes.

Figura 17

Figura 14

Figura 13

DATO

MEDICINA Se han encontrado más posibilidades de uso, ya que, su biocompatibilidad le permite desde el uso en el cubrimiento de heridas, hasta implementarla dentro de la rama farmacológica.

- Hilos quirúrgicos - Tejidos o ligamentos artificiales - Soportes para vasos sanguíneos débiles - Cápsulas para insertar esponjas y transportar los reactivos químicos - Piel artificial (Murugesh K. 2019)

Si se establece una comparación con una escala mayor, se ha calculado que una fibra de seda de araña con el grosor de un lápiz ¡podría detener un Boeing 747 en pleno vuelo!

Figura 21

Figura 18

¿SABÍAS QUÉ?

Figura 20 Figura 19

Algunas Tribus de Nueva Guinea utilizaban la seda de araña como sombreros para protegerse de la lluvia.

Y en las Nuevas Híbridas lo utilizaban para transportar flechas, veneno y tabaco.

Actualmente es usado dentro de la pesca como sedal o sebo.

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POSIBLES APLICACIONES Recientemente se realizó un estudio en donde se aplicaron fibras de seda de araña con células Schwann humanas (constituyentes del Sistema Nervioso Periférico), logrando demostrar su biocompatibilidad, llegando así a la conclusión de que pueden ser prometedoras para el tratamiento de futuras lesiones dentro de los nervios.

(Murugesh K. 2019)

Figura 23

Figura 22

TECNOLOGÍA Los compuestos de fibra se pueden utilizar en la fibra óptica. (Murugesh K .2019).

Las propiedades electrostáticas pueden conducir a un nuevo mercado de mini-máquinas de seda más complejas del hilo de captura, y encontrar un uso en filtros activos, un área en donde la telaraña ya se emplea, creando nanofibra óptica hueca, en donde la seda se recubre con un silicato y se cuece (420°C).

Figura 24

La seda se quema y el silicato se convierte en sílice, encogiendo a 1/5 de su diámetro original. Así, se consigue una fibra de vidrio hueca, de 1 micrómetro de diámetro (puede reducir hasta 10 nm dependiendo del tipo de seda). También se puede emplear en la creación de nanocables conductores, en donde se pela la fibra, se deja el núcleo y se cubre con metal.

Las fibras se pueden utilizar como materiales de refuerzo para compensar la resistencia del material sin comprometer la reciclabilidad del material.

Son de bajo costo, menos contaminantes, con altas propiedades específicas, biodegradables y de bajo peso. La principal atracción es la fuerza y el peso que el material provee. Usarla hace que la masa reduzca comparada con el material acrílico que normalmente se usa.

La extensibilidad y su resistencia a la tracción combinada con su peso ligero, le permite resistir los daños causados por las cargas de impacto y la deformación por las cargas aplicadas. (Mayank et al. 2021)

¿SABÍAS QUÉ?

Figura 25

La seda de araña puede tener múltiples aplicaciones funciones, pero también puede servir para crear botellas biodegradables, que disminuirán la contaminación a un nivel considerable.

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BIOSÍNTESIS DE SEDA Tiene lugar en las células constituyentes de las glándulas y esta relacionado con la forma como las moléculas de proteína se organizan en fibras.

Todas las síntesis de proteínas involucran la expresión de los genes mediante la transcripción, maduración postranscripcional de los RNA mensajeros resultantes y traducción en los ribosomas

1 SÍNTESIS PROTÉICA

CARACTERÍSTICAS DE LA GLÁNDULA 1.Sección secretora-Paredes revestidas de espidroínas 2.Saco de almacenamiento-Almacena y mantiene la seda sin hilar. (Vollrath F., Knight D. 2001) 3.Embudo-Reduce el diámetro del saco de almacenamiento al diámetro del conducto 4.Conducto-Revestida con células que intercambian iones, reducen el pH Formación de fibras 5.-Válvula- Regula el espesor de la fibra y/o la sujeta cuando la araña cae sobre ella (Vollrath et al. 1998)

Las esproidinas NCMAG1, NCMAG2 y ADMAG1, ADMAG2, suponen el 50% del peso total de las glándulas de estás arañas.

Debido a la composición de aminoácidos de la seda, las células de la glándula secretora poseen una dotación superior de los tRNAs específicos para Ala y Gly, que garantizan una adecuada velocidad de síntesis de proteínas.

Esta solución de proteína altamente concentrada forma la pasta de seda (solución de hilado). Ahí se los motivos de polialanina adoptan una conformación α-helicoidal y los motivos ricos en glicina forman espiras β o conformaciones espirales aleatorias (Hijirida et al. 1996)

2 ESTRUCTURA DE LA FIBRA El núcleo de la fibra está envuelto por capas concéntricas de nanofibrillas de glicoproteína (con moléculas en forma de varilla), dispuestas paralelamente al eje de la fibra o enroscadas en espiral a su alrededor.

Fibra de ADMAG1 o ADF-3

Figura 26

3 ENSAMBLAJE O FORMACIÓN DE LA FIBRA Las proteínas en el interior de la glándula poseen disolución de pH ácido y una concentración (30-50 % en masa).

El paso de la pasta de seda a través del conducto de hilado se acompaña de la extracción de agua, sodio y cloruro (Vollrath et al. 1998).

Se cree que la secreción simultánea de iones de potasio e hidrógeno, reducen el pH de 6,9 a 6,3. A medida que los segmentos de polialanina hidrofóbica se alinean y se acercan, exponiéndose a un entorno cada vez más hidrofóbico, desencadenan su conversión de una estructura α-helicoidal a una β-plisada.

Expulsan el agua de solvatación que contenían, formando numerosos enlaces de hidrógeno entre cadenas.

Antes de salir, la evaporación del agua de disolución favorece la polimerización, y la araña recupera y recicla casi toda el agua, importante para que el continuo proceso de hilado no la perjudique.

Al llegar a la hilera, a unos 4 mm de la salida al exterior, se convierte bruscamente en una hebra sólida, insoluble - transición de fase líquido-cristalina- con una organización molecular alta, que implica la separación en fases ricas en polímeros y ricas en disolventes (Vollrath et al. 1998) Figura 27

Ampula Conducto Exterior

Secreción de proteínas

SABÍAS QUÉ?

La araña es capaz de hilar a una velocidad de entre 2 y 80 cm/sg

Almacenamiento de las espirodinas Estiramiento final Válvula gracias a la válvula

Fase de separación, intercambio iónico, acidificación de agua y elonhación

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Genes y obtención

La ingeniería genética es la principal herramienta para intentar sintetizar a gran escala las proteínas constituyentes de la seda de araña, ubicando y conociendo los genes que codifican las proteínas.

Se han empleado algunas sondas de oligonucleótidos que, mediante ensayos de hibridación (combinación dos cadenas complementarias simples de ácidos nucleicos), permiten ubicar en el genoma los genes de interés.

5’-CCNGGNCCATANCC-3’

C-Citidilato G-Guanalato Nucleótidos A-Addeilato T-Timilidato N-Cualquier aminoácido

Este oligonucleótido se utilizó como sonda para estudiar el gen NCMAG1 (espidroína 1) Para poder codificar las espidroínas de Araneus diadematus se necesita de los genes ADF-3 (U47855.1) y ADF-4 (U47856.1)

Obtención Natural

Es bastante costoso y poco viable, el carácter solitario y territorial de las arañas hace complicado mantener un criadero, ya que, habría conflictos y se terminarían comiendo entre sí. Su naturaleza carnívora genera gastos en la manutención de su dieta, y la recolección de seda útil para fines experimentales es sumamente difícil.

El carácter repetitivo de las proteínas hace complejo determinar la secuencia completa del DNA complementario de un gen de seda, siendo poco fiable, debido a su alto índice de resultados erróneos o imprecisos. No se ha podido lograr la clonación completa del gen de seda de dragalina. (Lewis et al. 1996) Obtención Sintética

Existen métodos para la obtención de las proteínas recombinantes similares a la dragalina natural, como la transformación directa de genes de seda de araña en huéspedes bacterianos (E. coli y levaduras como S. cerevisiae), pero el tamaño de los genes es demasiado grande para las mismas y los codones son diferentes. Se encontraron problemas similares con el uso de plantas como la patata o el tabaco como hospedadores de expresión transgénica. (Huemmerich et al. 2004)

Cultivo celular DNA recombinante

Plantas transgénicas

Ventajas: -Cantidad virtualmente ilimitada -Condiciones amigables con el medio ambiente

Con genes sintéticos basados en MaSp1, se han conseguido proteínas recombinantes de hasta 100 kDa, relacionadas con las espidroínas de la seda de Nephila clavipes, con una homología en Dificultades: -La síntesis de espidroínas en bacterias y levaduras secuencia de aminoácidos superior al 90%. es difícil- las secuencias repetitivas se truncan y la estructura secundaria inusual del mRNA Las proteínas se acumulan hasta alcanzar el 2% de la proteína soluble total en el retículo (traducción ineficaz) -El tamaño de molécula que se consigue obtener es endoplásmico de hojas y tubérculos.

Su purificación es sencilla y eficaz por la elevada limitado -Disponibilidad limitada de moléculas de tRNA estabilidad térmica de estas proteínas.

(Scheller, et al 2001) específicas -Mantener la proteína en forma soluble durante la purificación.

Figura 29

Figura 28

7

Cabras transgénicas La expresión de la seda en las glándulas mamarias de mamíferos, como las cabras; fue empleado por la empresa canadiense Nexia Biotechnologies; inicialmente atractiva y prometedora, pero posteriormente decaería ante la problemática de la baja concentración de proteína en la leche, haciendo la purificación de proteínas ineficiente para su análisis.

Figura 30

Expresión de baculovirus

Figura 31

Usando células de insectos filogenéticamente relacionados con las de las arañas.

El baculovirus fácil de modificar, infecta selectivamente las células del insecto, los DNA complementarios de las proteínas (ADF3 y ADF4), se replican en el genoma del virus, que se introducirá en el insecto, para que infecte sus líneas celulares; durante la producción citoplasmática la seda permanece soluble o se ensambla en fibras sólidas, dependiendo del tipo de proteína, tiene una alta facilidad de cultivo y de modificación en las condiciones de expresión, pero es demasiado caro e ineficaz para producciones a escala. (Huemmerich et al. 2004)

Otro sistema consiste en el que los genes de la araña son adaptados a los genes bacterianos. Para lograr un rendimiento eficaz y con mayor estabilidad, se generaron genes que codifican proteínas similares a las de la seda arácnida, a partir de la combinación de DNA sintético y genes auténticos.

La técnica de clonación sin fisuras permite la combinación controlada de genes auténticos y módulos sin generar huecos o artefactos indeseados en la secuencia de codificación, aumentando los rendimientos de expresión y la fabricación de células diseñadas con ciertas propiedades para el análisis experimental.

Las proteínas de la araña pueden ensamblarse de manera rápida y estable en cuanto las condiciones lo requieran

Aspectos importantes para su disponibilidad comercial: Determinación de la solubilidad Autoensamblaje Cambios de PH Acidificación

Para su fabricación influyen aspectos mecánicos durante el ensamblaje como la velocidad de hilado.

Los procesos de hilatura artificiales podrían producir fibras parecidas superficialmente a las naturales, sin embargo, las propiedades mecánicas eran en demasía inferiores a la seda natural de dragalina.

Las proteínas de la seda tienen un alto potencial para construir estructuras macroscópicas distintas a la lineal, gracias a su ensamblaje tridimensional, se pueden fabricar películas de seda a partir de su contacto de un disolvente que posteriormente se evaporará, haciendo que las proteínas se ensamblen formando una película delgada y transparente, su espesor variará según las condiciones ambientales y el disolvente escogido.

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