Lo stretching della seta del ragno la rende più resistente allineando le catene proteiche

7 marzo 2025

Questo articolo è stato revisionato secondo il processo editoriale e le politiche di Science X. Gli editori hanno evidenziato i seguenti attributi, garantendo la credibilità dei contenuti:

verifica dei fatti

pubblicazione sottoposta a revisione paritaria

fonte affidabile

corretto di bozze

da Northwestern University

Quando i ragni tessono le loro ragnatele, usano le zampe posteriori per tirare fili di seta dai filobasamenti. Questa azione di tirare non solo aiuta il ragno a rilasciare la seta, ma è anche un passo cruciale per rinforzare le fibre di seta per una ragnatela più resistente.

In uno studio recente, i ricercatori dell'Università Northwestern hanno scoperto perché il ruolo dello stiramento è così importante. Simulando la seta di ragno in un modello computazionale, il team ha scoperto che il processo di stiratura allinea le catene proteiche all'interno delle fibre e aumenta il numero di legami tra queste catene. Entrambi i fattori portano a fibre più robuste e resistenti.

Il team ha poi convalidato queste previsioni computazionali attraverso esperimenti di laboratorio utilizzando seta di ragno ingegnerizzata. Queste intuizioni potrebbero aiutare i ricercatori a progettare proteine ispirate alla seta ingegnerizzata e processi di filatura per varie applicazioni, tra cui suture robuste e biodegradabili e corpose armature ad alte prestazioni e resistenti alle esplosioni.

Lo studio è apparso su Science Advances.

'I ricercatori sapevano già che questa stiratura, o filatura, è necessaria per creare fibre veramente robuste', ha detto Sinan Keten, autore senior dello studio. 'Ma nessuno sapeva necessariamente il motivo. Con il nostro metodo computazionale, siamo stati in grado di esaminare ciò che accade a livello nanoscopico per acquisire intuizioni che non possono essere osservate sperimentalmente. Abbiamo potuto esaminare come la filatura influisca sulle proprietà meccaniche della seta.'

'I ragni eseguono naturalmente il processo di filatura', ha detto Jacob Graham, primo autore dello studio. 'Quando tessono la seta dalla ghiandola, i ragni usano le zampe posteriori per afferrare il filo e tirarlo fuori. Questo allunga il filo mentre viene formato. Rende il filo molto resistente e molto elastico. Abbiamo scoperto che è possibile modificare le proprietà meccaniche del filo semplicemente modificando la quantità di stiramento.'

Esperto in materiali bioispirati, Keten è professore di ingegneria presso la McCormick School of Engineering dell'Università Northwestern. Graham è uno studente di dottorato nel gruppo di ricerca di Keten.

I ricercatori sono da tempo interessati alla seta di ragno per le sue proprietà straordinarie. È più forte dell'acciaio, più resistente del Kevlar e elastica come il caucciù. Ma allevare ragni per la loro seta naturale è costoso, energivoro e complicato. Quindi, gli scienziati vogliono ricreare materiali simili alla seta in laboratorio.

'La seta di ragno è la fibra organica più resistente', ha detto Graham. 'Ha anche il vantaggio di essere biodegradabile. Quindi, è un materiale ideale per applicazioni mediche. Potrebbe essere utilizzato per suture chirurgiche e gel adesivi per la chiusura delle ferite perché si degraderebbe in modo naturale e innocuo nel corpo.'

Fuzhong Zhang, coautore dello studio, ha ingegnerizzato microrganismi per produrre materiali a base di seta di ragno. Estrudendo proteine di seta di ragno ingegnerizzate e poi stirandole a mano, il team ha sviluppato fibre artificiali simili ai fili del ragno setaio dorato, un grosso ragno con una ragnatela spettacolarmente resistente.

Nonostante fosse stata sviluppata questa 'ricetta' per la seta di ragno, i ricercatori non comprendono ancora appieno come il processo di filatura cambi la struttura e la resistenza della fibra. Per affrontare questa domanda aperta, Keten e Graham hanno sviluppato un modello computazionale per simulare la dinamica molecolare all'interno della seta artificiale di Zhang.

Attraverso queste simulazioni, il team della Northwestern ha esplorato come lo stiramento influenzi l'organizzazione delle proteine all'interno delle fibre. In particolare, hanno esaminato come lo stiramento cambi l'ordine delle proteine, la connessione delle proteine tra loro e il movimento delle molecole all'interno delle fibre.

Keten e Graham hanno scoperto che lo stiramento ha causato l'allineamento delle proteine, aumentando la resistenza complessiva della fibra. Hanno inoltre scoperto che lo stiramento ha aumentato il numero di legami idrogeno, che agiscono come ponti tra le catene proteiche per costituire la fibra. L'aumento dei legami idrogeno contribuisce alla resistenza complessiva, alla robustezza e all'elasticità della fibra, hanno scoperto i ricercatori.

'Una volta estratta una fibra, le sue proprietà meccaniche sono effettivamente abbastanza deboli', ha detto Graham. 'Ma quando viene stirata fino a sei volte la sua lunghezza iniziale, diventa molto resistente.'

Scopri le ultime novità in materia di scienza, tecnologia e spazio con oltre 100.000 abbonati che si affidano a Phys.org per approfondimenti giornalieri. Iscriviti alla nostra newsletter gratuita e ricevi aggiornamenti su scoperte, innovazioni e ricerche che contano - quotidianamente o settimanalmente.

Per convalidare le loro scoperte computazionali, il team ha utilizzato tecniche di spettroscopia per esaminare come le catene proteiche si allungavano e allineavano in fibre reali del team di WashU. Hanno anche utilizzato test di trazione per vedere quanto le fibre potessero sopportare prima di spezzarsi. I risultati sperimentali concordavano con le previsioni della simulazione.

“Se non si allunga il materiale, si hanno queste palline sferiche di proteine”, ha detto Graham. “Ma l'allungamento trasforma queste palline in una rete più interconnessa. Le catene proteiche si impilano l'una sull'altra e la rete diventa sempre più interconnessa. Le proteine raggruppate hanno maggiore potenziale di svolgersi e allungarsi ulteriormente prima che la fibra si spezzi, ma le proteine inizialmente estese creano fibre meno estensibili che richiedono più forza per spezzarsi”.

Anche se Graham pensava che i ragni fossero solo insetti fastidiosi, ora vede il loro potenziale nel risolvere problemi reali. Osserva che la seta di ragno ingegnerizzata offre un'alternativa più forte e biodegradabile rispetto ad altri materiali sintetici, che sono per lo più plastica derivata dal petrolio.

“Sicuramente guardo i ragni in una luce nuova”, ha detto Graham. “Una volta pensavo fossero fastidiosi. Ora li vedo come una fonte di fascino”.

Maggiori informazioni: Jacob Graham et al, Disegno della fascia di proprietà meccaniche delle fibre di seta sintetica con previsioni del processo di trafilatura, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adr3833. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr3833

Informazioni sulla rivista: Science Advances

Fornito da Università Northwestern