Tras años de investigación para descifrar la compleja estructura y producción de la seda de araña, los investigadores han logrado producir en el laboratorio muestras de este material excepcionalmente resistente y duradero. El nuevo avance podría dar lugar a diversos materiales biomédicos —desde suturas hasta estructuras de soporte para reemplazos de órganos— fabricados con seda sintetizada cuyas propiedades se ajusten específicamente a los usos previstos.
Los resultados se publican esta semana en la revista Nature Communications por el profesor de ingeniería civil y ambiental (CEE) del MIT Markus Buehler, los investigadores posdoctorales Shangchao Lin y Seunghwa Ryu, y otros investigadores del MIT, la Universidad Tufts, la Universidad de Boston y de Alemania, Italia y el Reino Unido.
La investigación, que combinó simulaciones y experimentos, abre el camino para «crear nuevas fibras con características mejoradas» respecto de la seda natural, afirma Buehler, quien también dirige el departamento de CEE. Según explica, el trabajo debería permitir diseñar fibras con características específicas de resistencia, elasticidad y tenacidad.
Las proteínas de las nuevas fibras sintéticas —los componentes básicos del material— se crearon modificando genéticamente bacterias para que produjeran las proteínas que normalmente generan las arañas. Después, estas proteínas se extruyeron a través de canales microfluídicos diseñados para imitar el efecto de un órgano llamado hileras, que las arañas utilizan para producir fibras de seda natural.
No hacen falta arañas
Aunque desde hace mucho se reconoce que la seda de araña está entre los materiales más resistentes que se conocen, no es viable criar arañas para obtener fibras aprovechables; por eso, este nuevo método para producir una seda sintética, pero similar a la de araña, podría poner estas fibras tan resistentes y flexibles al alcance de las aplicaciones biomédicas. Por naturaleza, las sedas de araña son totalmente biocompatibles y pueden utilizarse en el cuerpo sin riesgo de reacciones adversas; al final, el organismo simplemente las absorbe.
El proceso de «hilado» de los investigadores, en el que las proteínas constituyentes disueltas en agua se extruyen a un ritmo controlado a través de una abertura diminuta, hace que las moléculas se alineen de tal manera que producen fibras resistentes. Las propias moléculas son una mezcla de compuestos hidrófobos e hidrófilos, combinados para alinearse de forma natural y formar fibras mucho más resistentes que sus componentes por separado. «Al hilarla, se crean enlaces muy fuertes en una dirección», afirma Buehler.
El equipo descubrió que era crucial lograr la proporción adecuada de proteínas en la mezcla. «Descubrimos que, cuando había una alta proporción de proteínas hidrófobas, no se hilaba ninguna fibra: solo se formaba una masa desagradable», afirma Ryu, quien trabajó en el proyecto como investigador posdoctoral en el MIT y ahora es profesor adjunto en el Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea. «Tuvimos que encontrar la mezcla adecuada» para producir fibras resistentes, explica.
Cerrar el ciclo
Este proyecto representa el primer uso de simulaciones para entender la producción de seda a nivel molecular. «La simulación es fundamental», explica Buehler. Sintetizar una proteína puede llevar varios meses; si resulta que no tiene exactamente las propiedades adecuadas, habría que empezar todo el proceso de nuevo.
Las simulaciones permiten «examinar una amplia variedad de proteínas hasta observar cambios en la rigidez de la fibra» y luego centrarse en esos compuestos, afirma Lin, quien trabajó en el proyecto como investigador posdoctoral en el MIT y ahora es profesor adjunto en la Universidad Estatal de Florida.
Controlar directamente las propiedades podría, en última instancia, permitir crear fibras incluso más resistentes que las naturales, porque los ingenieros pueden elegir características para un uso específico. Por ejemplo, mientras que las arañas necesitan elasticidad para que sus telarañas atrapen insectos sin romperse, quienes diseñen fibras para suturas quirúrgicas necesitarían más resistencia y menos capacidad de estiramiento. «La seda no nos da esa posibilidad de elegir», afirma Buehler.
El procesamiento del material puede realizarse a temperatura ambiente con soluciones acuosas, por lo que ampliar la fabricación debería ser relativamente fácil, afirman los miembros del equipo. Hasta ahora, las fibras que han fabricado en el laboratorio no son tan resistentes como la seda natural de araña, pero, ahora que se ha establecido el proceso básico, debería ser posible ajustar los materiales y mejorar su resistencia, señalan.
«Nuestro objetivo es mejorar la resistencia, la elasticidad y la tenacidad de las fibras hiladas artificialmente tomando ideas brillantes de la naturaleza», afirma Lin. Este estudio podría inspirar el desarrollo de nuevas fibras sintéticas —o de cualquier material que requiera propiedades mejoradas, como el transporte eléctrico y térmico en una dirección determinada.
«Es un trabajo extraordinario», afirma Huajian Gao, profesor de ingeniería en la Universidad Brown, quien no participó en esta investigación. «Podría conducir a un avance que nos permita explorar directamente las aplicaciones de ingeniería de materiales similares a la seda».
Gao añade que la exploración del equipo de las variaciones en la estructura de las telarañas «podría tener efectos prácticos para mejorar el diseño de los compuestos reforzados con fibras, al aumentar significativamente su resistencia y robustez sin incrementar su peso. El impacto en la innovación de materiales podría ser especialmente importante para las aplicaciones aeroespaciales e industriales, donde el bajo peso es esencial».
La investigación contó con el apoyo de los Institutos Nacionales de Salud, la Fundación Nacional de Ciencias, la Oficina de Investigación Naval, la Fundación Nacional de Investigación de Corea y el Consejo Europeo de Investigación.
Este artículo se publica en colaboración con MIT News. Su publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde las opiniones expresadas.
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Autor: David L. Chandler es colaborador de MIT News.
Imagen: Se ven gotas de rocío colgando de una telaraña en Vertou, cerca de Nantes, el 28 de octubre de 2014. REUTERS/Stephane Mahe.
