Estirar la seda de araña la hace más fuerte al alinear las cadenas de proteínas

7 de marzo de 2025

Este artículo ha sido revisado de acuerdo con el proceso editorial y las políticas de Science X. Los editores han resaltado los siguientes atributos mientras aseguran la credibilidad del contenido:

verificado por hechos

publicación revisada por pares

fuente confiable

corregido

por la Universidad Northwestern

Cuando las arañas tejen sus telarañas, usan sus patas traseras para jalar los hilos de seda de sus hileras. Esta acción de jalar no solo ayuda a la araña a liberar la seda, también es un paso crucial para fortalecer las fibras de seda y hacer una telaraña más resistente.

En un nuevo estudio, investigadores de la Universidad de Northwestern descubrieron por qué es tan importante el papel del estiramiento. Al simular la seda de araña en un modelo computacional, el equipo descubrió que el proceso de estiramiento alinea las cadenas proteicas dentro de las fibras y aumenta el número de enlaces entre esas cadenas. Ambos factores conducen a fibras más fuertes y resistentes.

Luego, el equipo validó estas predicciones computacionales a través de experimentos de laboratorio usando seda de araña sintética. Estos conocimientos podrían ayudar a los investigadores a diseñar proteínas inspiradas en la seda y procesos de hilado para diversas aplicaciones, incluidas suturas fuertes y biodegradables y armaduras corporales resistentes y a prueba de explosiones de alto rendimiento.

El estudio se publica en Science Advances.

‘Los investigadores ya sabían que este estiramiento, o extracción, es necesario para hacer fibras realmente fuertes’, dijo Sinan Keten, autor principal del estudio de Northwestern. ‘Pero nadie necesariamente sabía por qué. Con nuestro método computacional, pudimos investigar lo que sucede a escala nanométrica para obtener información que no puede verse experimentalmente. Pudimos examinar cómo el estiramiento se relaciona con las propiedades mecánicas de la seda’.

‘Las arañas realizan el proceso de estiramiento de forma natural', dijo Jacob Graham, primer autor del estudio. ‘Cuando hilan seda desde su glándula de seda, las arañas usan sus patas traseras para agarrar la fibra y jalarla. Eso estira la fibra mientras está siendo formada. Hace que la fibra sea muy fuerte y elástica. Descubrimos que se puede modificar las propiedades mecánicas de la fibra simplemente modificando la cantidad de estiramiento’.

Experto en materiales bioinspirados, Keten es el Profesor Jerome B. Cohen de Ingeniería, profesor y presidente asociado de ingeniería mecánica y profesor de ingeniería civil y ambiental en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern. Graham es estudiante de doctorado en el grupo de investigación de Keten.

Los investigadores han estado interesados durante mucho tiempo en la seda de araña debido a sus propiedades sorprendentes. Es más fuerte que el acero, más resistente que el Kevlar y elástico como el caucho. Pero la cría de arañas por su seda natural es costosa, intensiva en energía y difícil. Por lo tanto, los científicos en su lugar quieren recrear materiales similares a la seda en el laboratorio.

‘La seda de araña es la fibra orgánica más fuerte', dijo Graham. 'También tiene la ventaja de ser biodegradable. Por lo tanto, es un material ideal para aplicaciones médicas. Podría usarse para suturas quirúrgicas y geles adhesivos para cierre de heridas porque se degrada de forma natural e inofensiva en el cuerpo’.

Fuzhong Zhang, coautor del estudio y profesor en la Universidad de Washington (WashU) en St. Louis, ha estado manipulando microbios para producir materiales de seda de araña durante varios años. Al extruir proteínas de seda de araña modificadas y luego estirarlas a mano, el equipo ha desarrollado fibras artificiales similares a los hilos del araña de seda dorada, una araña grande con una telaraña espectacularmente resistente.

A pesar de desarrollar esta ‘receta’ para la seda de araña, los investigadores aún no comprenden completamente cómo el proceso de hilado cambia la estructura y resistencia de la fibra. Para abordar esta pregunta abierta, Keten y Graham 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 el arreglo de las proteínas dentro de las fibras. Específicamente, 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.

Keten y Graham encontraron que el estiramiento hacía que las proteínas se alinearan, lo que aumentaba la resistencia general de la fibra. También descubrieron que el estiramiento aumentaba el número de enlaces de hidrógeno, que actúan como puentes entre las cadenas proteicas para formar la fibra. El aumento en los enlaces de hidrógeno contribuye a la resistencia general, la dureza y la elasticidad de la fibra, encontraron los investigadores.

‘Una vez que una fibra es extruida, sus propiedades mecánicas son realmente débiles', dijo Graham. ‘Pero cuando se estira hasta seis veces su longitud inicial, se vuelve muy resistente’.

Descubre lo último en ciencia, tecnología y espacio con más de 100,000 suscriptores que confían en Phys.org para obtener información diaria. Regístrate para recibir nuestro boletín gratuito y obtener actualizaciones sobre avances, innovaciones e investigaciones que importan, diaria o semanalmente. Para validar sus hallazgos computacionales, el equipo utilizó técnicas de espectroscopia para examinar cómo se estiraban y alineaban las cadenas de proteínas en las fibras reales del equipo de WashU. También realizaron pruebas de tracción para ver cuánto estiramiento podían soportar las fibras antes de romperse. Los resultados experimentales coincidieron con las predicciones de la simulación. "Si no estiras el material, tienes estas masas esféricas de proteínas", dijo Graham. "Pero al estirarlas, estas masas se convierten en una red más interconectada. Las cadenas de proteínas se apilan unas sobre otras, y la red se vuelve más y 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 hacen que las fibras sean menos extensibles y requieran más fuerza para romperse". Aunque Graham solía pensar que las arañas eran simplemente bichos espeluznantes, ahora ve su potencial para ayudar a resolver problemas reales. Señala que 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. "Definitivamente miro a las arañas con otros ojos", dijo Graham. "Solía pensar que eran molestias. Ahora, las veo como una fuente de fascinación". Más información: Jacob Graham et al, Trazar el sobre de propiedades mecánicas de las fibras de seda sintética a través de modelado predictivo del proceso de estirado, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adr3833. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr3833 Información del diario: Science Advances Proporcionado por: Northwestern University