Più forte dell’acciaio, più resistente del Kevlar: gli scienziati hanno gettato nuova luce sulla seta di ragno più resistente al mondo

Molti scienziati aspirano a scoprire la straordinaria capacità dei ragni di filare fili di seta estremamente resistenti, leggeri e flessibili. In effetti, la seta del ragno è più forte dell’acciaio e più resistente del Kevlar. Tuttavia, nessuno è ancora riuscito a replicare il lavoro dei ragni.

Se potessimo sviluppare un equivalente sintetico con queste proprietà, si potrebbe aprire un mondo completamente nuovo di possibilità: la seta di ragno sintetica potrebbe sostituire materiali come Kevlar, poliestere e fibra di carbonio nelle industrie e potrebbe essere utilizzata, ad esempio, per produrre materiali leggeri. e prodotti flessibili. Giubbotti antiproiettile.

Irina Iashina, ricercatrice post-dottorato e biofisica del Dipartimento di Biochimica e Biologia Molecolare dell’Università della Danimarca meridionale (SDU), sta partecipando a questa gara per scoprire la ricetta della supersilk. È rimasta affascinata dalla seta di ragno sin da quando era studentessa di un master alla SDU, e attualmente sta svolgendo ricerche sull’argomento presso il Massachusetts Institute of Technology di Boston con il supporto della Velome Foundation.

La biofisica Irina Iashina, dell’Università della Danimarca meridionale, studia la seta di ragno su un computer. Credito: Anders Boe/Università della Danimarca meridionale

Come parte della sua ricerca, sta collaborando con il professore assistente e biofisico della SDU Jonathan Brewer, un esperto nell’uso di diversi tipi di microscopi per osservare le strutture biologiche.

Insieme ora, per la prima volta, hanno studiato l’interno della seta di ragno utilizzando un microscopio ottico senza tagliare o aprire la seta in alcun modo. Questo lavoro è stato ora pubblicato su riviste Rapporti scientifici E La scansione è terminata.

“Abbiamo utilizzato diverse tecniche microscopiche avanzate e abbiamo anche sviluppato un nuovo tipo di microscopio ottico che ci consente di osservare un pezzo di fibra e vedere cosa c’è dentro”, spiega Jonathan Brewer.

Il ragno della ragnatela dorata produce la sua seta dalla sua estremità posteriore. Credito: Anders Boe/Università della Danimarca meridionale

Fino ad oggi, la seta del ragno è stata analizzata utilizzando diverse tecniche, che hanno tutte fornito nuove intuizioni. Tuttavia, queste tecniche presentavano anche degli inconvenienti, come sottolinea Jonathan Brewer, poiché spesso richiedevano il taglio del filo di seta (noto anche come fibra) per ottenere una sezione trasversale per la microscopia o il congelamento dei campioni, che potrebbe alterare la struttura del tessuto. le fibre di seta.

“Volevamo studiare fibre pure, non trattate, che non fossero state tagliate, congelate o lavorate in alcun modo”, afferma Irina Iashina.

A questo scopo, il duo di ricerca ha utilizzato tecniche meno invasive come lo scattering Raman Coherent Anti-Stokes, la microscopia confocale, la microscopia confocale a riflettanza di fluorescenza a super risoluzione, la microscopia a scansione di ioni di elio e lo spray agli ioni di elio.

Vari studi hanno rivelato che le fibre della seta di ragno sono costituite da almeno due strati esterni di lipidi, cioè lipidi. Dietro di loro, all’interno delle fibrille, ci sono molte cosiddette fibrille che corrono in disposizione diritta e sono fitte una accanto all’altra (vedi figura). Il diametro delle fibrille varia tra 100 e 150, che è inferiore al limite misurabile con un comune microscopio ottico.

Illustrazione da Rapporti scientifici Documento: una rappresentazione schematica (non in scala) della struttura proposta delle fibre di seta del ragno come si trova nel presente lavoro. (A) Vista laterale della fibra, (B) Sezione trasversale della fibra. Uno strato esterno non conduttivo ricco di lipidi (verde) di spessore compreso tra 0,6 e 1 µm e due strati conduttivi interni di proteina autofluorescente: uno che mostra una maggiore affinità verso FITC (blu) e un altro rodamina B che mostra una maggiore affinità verso (arancione). Il nucleo proteico interno è costituito da fibre cristalline, allineate parallelamente all’asse lungo della fibra, circondate da regioni proteiche amorfe. Fonte: Iachina/Brewer, Università della Danimarca meridionale.

“Non è attorcigliato, come si potrebbe immaginare, quindi ora sappiamo che non è necessario attorcigliarlo quando si cerca di produrre seta di ragno artificiale”, afferma Irina Iashina.

Iachina e Brewer lavorano con le fibre di seta del ragno dalla ragnatela dorata, Nephila madagascariensis, che produce due diversi tipi di seta: uno, chiamato MAS (major ampollare seta fibra), viene utilizzato per costruire la tela del ragno, ed è anche la seta a cui il ragno usa per aggrapparsi. Irina Iashina la definisce la linfa vitale del ragno. È molto resistente e ha un diametro di circa 10 micrometri.

L’altro, chiamato MiS (fibre di seta micro ampollari), serve come ausilio alla costruzione. È più flessibile e solitamente ha un diametro di 5 micrometri.

Secondo l’analisi binaria, la seta MAS contiene fibrille con un diametro di circa 145 nm. Per quanto riguarda MiS, è di circa 116 nm. Ogni fibra è costituita da proteine ​​e sono coinvolte diverse proteine. Queste proteine ​​sono prodotte dal ragno quando fabbrica le sue fibre di seta.

Capire come vengono create fibre così resistenti è importante, ma anche produrle è impegnativo. Pertanto, i ricercatori in questo campo spesso fanno affidamento sui ragni per produrre la loro seta.

Possono invece ricorrere a metodi computazionali, su cui sta attualmente lavorando Irina Iashina Istituto di Tecnologia del Massachussetts: “In questo momento sto eseguendo una simulazione al computer di come le proteine ​​si trasformano in seta. L’obiettivo è ovviamente imparare come produrre la seta di ragno artificiale, ma mi interessa anche contribuire a una maggiore comprensione del mondo che ci circonda .”

Riferimenti: “Imaging nanoscopico di seta di ampolle primarie e secondarie dal ragno della ragnatela Nephila Madagascariensis” di Irina Iachina, Jacek Wiotowski, Horst Günter Ruban, Fritz Vollrath e Jonathan R. Breuer, 24 aprile 2023, Rapporti scientifici.
doi: 10.1038/s41598-023-33839-z

“Microscopia agli ioni di elio e sezionamento della seta di ragno” di Irina Iashina, Jonathan R. Breuer, Horst Günter Ruban e Jacek Wojtowski, 22 maggio 2023, La scansione è terminata.
doi: 10.1155/2023/2936788