ciencia, seda de araña
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| Imágenes de microscopía electrónica de barrido de fibras de seda de araña modificada. Para validar sus hallazgos computacionales, el equipo de Northwestern utilizó técnicas de espectroscopia para examinar cómo se estiraban y alineaban las cadenas de proteínas en fibras reales de seda de araña modificada. Fuente: Washington University at St. Louis |
Las arañas no solo tejen telarañas, sino que también las diseñan. Al estirar la seda mientras tejen, las arañas fortalecen las fibras a nivel molecular, alineando las proteínas y formando enlaces adicionales que aumentan la durabilidad.
Los científicos han descifrado este secreto mediante simulaciones computacionales y experimentos de laboratorio, allanando el camino para la seda bioingeniera con aplicaciones revolucionarias, desde suturas médicas hasta armaduras corporales ultra resistentes.
Las arañas fortalecen su seda con estiramiento
Cuando las arañas tejen sus telarañas, utilizan sus patas traseras para extraer la seda de sus hileras. Esta acción de tracción no solo libera la seda, sino que fortalece las fibras y hace que la tela sea más duradera.
Un nuevo estudio de la Universidad Northwestern revela por qué el estiramiento desempeña un papel tan crucial. Mediante simulaciones por ordenador, los investigadores descubrieron que, a medida que la seda de araña se estira, sus cadenas de proteínas se alinean y se forman más enlaces moleculares entre ellas. Estos cambios hacen que las fibras sean significativamente más fuertes y resistentes.
Ingeniería de seda más resistente y versátil
Para confirmar estos hallazgos, el equipo realizó experimentos de laboratorio utilizando seda de araña modificada. Sus resultados podrían ayudar a los científicos a desarrollar materiales avanzados inspirados en la seda para una variedad de usos, desde suturas quirúrgicas biodegradables hasta chalecos antibalas ultrarresistentes.
“Los investigadores ya sabían que este estiramiento o estiramiento es necesario para crear fibras realmente fuertes”, dijo Sinan Keten, autor principal del estudio de Northwestern. “Pero nadie sabía necesariamente por qué. Con nuestro método computacional, pudimos investigar lo que está sucediendo a escala nanométrica para obtener información que no se puede ver experimentalmente. Pudimos examinar cómo se relaciona el estiramiento con las propiedades mecánicas de la seda”.
Las arañas realizan el proceso de estirado de forma natural. Cuando tejen seda a partir de su glándula de seda, las arañas usan sus patas traseras para agarrar la fibra y sacarla. Eso estira la fibra a medida que se forma. Hace que la fibra sea muy fuerte y muy elástica. Descubrimos que se pueden modificar las propiedades mecánicas de la fibra simplemente modificando la cantidad de estiramiento.
Los investigadores llevan mucho tiempo interesados en la seda de araña por sus extraordinarias propiedades: es más fuerte que el acero, más resistente que el kevlar y elástica como el caucho. Pero criar arañas para obtener su seda natural es caro, consume mucha energía y es difícil. Por eso, los científicos quieren recrear materiales similares a la seda en el laboratorio.
La seda de araña es la fibra orgánica más resistente. También tiene la ventaja de ser biodegradable, por lo que es un material ideal para aplicaciones médicas. Se podría utilizar para suturas quirúrgicas y geles adhesivos para cerrar heridas, ya que se degradaría de forma natural e inocua en el cuerpo.
Al extruir proteínas de seda de araña diseñadas y luego estirarlas a mano, el equipo ha desarrollado fibras artificiales similares a los hilos de la araña tejedora de seda dorada, una araña de gran tamaño con una tela espectacularmente fuerte.
Simulación de elasticidad: la ciencia detrás de la fuerza
A pesar de haber desarrollado esta “receta” para la seda de araña, los investigadores aún no comprenden del todo cómo el proceso de hilado modifica la estructura y la resistencia de la fibra. Para abordar esta cuestión abierta, los científicos desarrollaron un modelo computacional para simular la dinámica molecular dentro de la seda artificial de Zhang.
A través de estas simulaciones, el equipo de Northwestern exploró cómo el estiramiento afecta la disposición de las proteínas dentro de las fibras. En concreto, observaron cómo el estiramiento cambia el orden de las proteínas, la conexión de las proteínas entre sí y el movimiento de las moléculas dentro de las fibras.
los investigadores descubrieron que el estiramiento hacía que las proteínas se "alinearan", lo que aumentaba la resistencia general de la fibra. También descubrieron que el estiramiento aumentaba la cantidad de enlaces de hidrógeno, que actúan como puentes entre las cadenas de proteínas para formar la fibra. El aumento de los enlaces de hidrógeno contribuye a la resistencia, la dureza y la elasticidad generales de la fibra, descubrieron los investigadores.
De la teoría a la realidad: probando las fibras
Para validar sus hallazgos computacionales, el equipo utilizó técnicas de espectroscopia para examinar cómo se estiraban y alineaban las cadenas de proteínas en fibras reales. También utilizaron pruebas de tracción para ver cuánto estiramiento podían tolerar las fibras antes de romperse. Los resultados experimentales coincidieron con las predicciones de la simulación.
Las cadenas de proteínas se apilan unas sobre otras y la red se vuelve cada vez más interconectada. Las proteínas agrupadas tienen más potencial para desenredarse y extenderse más antes de que la fibra se rompa, pero las proteínas inicialmente extendidas dan lugar a fibras menos extensibles que requieren más fuerza para romperse.
La seda de araña diseñada proporciona una alternativa más fuerte y biodegradable a otros materiales sintéticos, que en su mayoría son plásticos derivados del petróleo.
Referencia: “Charting the envelope of mechanical properties of synthetic silk fibers through predictive modeling of the drawing process” by Jacob J. Graham, Shri V. Subramani, Xinyan Yang, Timothy M. Russell, Fuzhong Zhang and Sinan Keten, 7 March 2025, Science Advances.
DOI: 10.1126/sciadv.adr3833
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