La seta del ragno e la produzione del Biosteel

Con il termine “seta” di solito ci riferiamo ad un particolare tipo di tessuto, costituito da fibre prodotte e filate dalla larva Bombyx mori, comunemente conosciuta come baco da seta. Ma esso comprende anche le fibre prodotte da altri animali come, ad esempio, i tricotteri (insetti acquatici), gli acari ed i ragni. E proprio la seta di quest’ultimi è stata oggetto di molti studi, in quanto caratterizzata da proprietà eccezionali.

Introduzione

Ci sono più di 40.000 specie di ragni sulla terra e la metà di loro produce la seta con proprietà che variano da specie a specie ed in base alla funzione a cui è destinata. Infatti questi ragni producono almeno sette differenti sete, ognuna sintetizzata e filata da diverse ghiandole e filiere poste nella parte terminale dell’addome. Una delle sete del ragno meglio studiata e che descriveremo più dettagliatamente in questo articolo è la “dragline”. Essa mostra interessanti proprietà meccaniche, superiori a quelle di tutte le altre sete ed è utilizzata dal ragno per realizzare il bordo ed i raggi della ragnatela, ma anche per fabbricare il filo con cui esso si cala e per il ballooning.

Proprietà seta del ragno

A tutti è capitato di notare che un insetto ingrovigliato nella rete di un ragno ha poche possibilità di fuga. Infatti, sebbene una ragnatela è composta da fibre ultra sottili, essa è capace di catturare rapidamente insetti che volano senza che si rompa, lasciando la preda intrappolata. Questa abilità può essere spiegata analizzando le proprietà meccaniche delle fibre che compongono la seta del ragno (Figura 1). Esse combinano un’elevata tensione di rottura1 con un’elevata tenacità2. Ciò si traduce in fibre estremamente forti ma al tempo stesso elastiche che le rendono competitive con le più moderne fibre sintetiche ad alte prestazioni.

Figura 1.

Figura 1. Principali valori delle proprietà meccaniche di alcuni materiali. *Le proprietà meccaniche della seta del ragno variano da specie a specie. A titolo di esempio vengono indicate le proprietà meccaniche della seta dragline prodotta e filata dall’ Araneus diadematus.

Ad esempio comparando la seta del ragno con il Kevlar si nota come la seta, nonostante abbia una tensione di rottura inferiore,  sia notevolmente più allungabile e può assorbire molta più energia. Inoltre la seta del ragno è idrofila, ma non solubile in acqua, ed è biodegradabile e biocompatibile.

Confrontando, invece, la seta del ragno con l’acciaio ad elevata resistenza si nota che entrambi hanno circa la stessa tensione di rottura, ma la seta del ragno ha una densità molto più bassa e perciò a parità di peso ha migliori proprietà meccaniche. Infatti, se le fibre del ragno fossero spesse quanto un filo di acciaio sarebbero difficili da rompere e richiederebbero un’energia 100 volte superiore a quella dell’acciaio. Alcuni studiosi della National University di Singapore hanno affermato che un filo di seta del ragno che ha lo spessore di una matita può fermare un Boeing 747 in volo.

Infine, rispetto alla seta prodotta dalla larva Bombyx mori, la seta del ragno è significativamente più forte, elastica e tenace.

  • 1La tensione di rottura è una proprietà meccanica che indica il massimo sforzo che un materiale è in grado di sopportare prima che sopraggiunga a rottura (Figura 2).
  • 2La tenacità può essere considerata come la capacità di un materiale di assorbire energia e di deformarsi plasticamente prima della rottura. È definita come l’area sottostante la curva sforzo/deformazione di una prova di trazione (Figura 2).
  • 3Il modulo elastico è una grandezza proporzionale alla rigidità, che indica la resistenza di un materiale a subire una deformazione elastica (Figura 2).

Figura 2.

Figura 2. Alcune proprietà meccaniche di Kevlar e di una generica seta dragline del ragno visualizzate su un grafico sforzo-deformazione. La figura 2 è un’immagine modificata. Quella originale è opera di Vincentsarego ed è disponibile qui. L’opera viene distribuita secondo licenza CC BY-SA 3.0.

Struttura seta del ragno

Per comprendere il motivo per il quale la seta del ragno ha le proprietà sopradescritte è necessario indagare sulla struttura delle fibre che la compongono. Tutte le sete sono costituite di proteine e riflettono milioni di anni di evoluzioni per realizzare un materiale perfettamente adatto ad una particolare funzione biologica.

La seta del ragno più studiata è la dragline, in particolare quella prodotta dal Nephila clavipes e dall’ Araneus diadematus. Per il primo sono state individuate due proteine che compongono principalmente la seta dragline: Spidron I (MaSp1) e Spidron II (MaSp2). Mentre per il secondo ne sono state identificate quattro: ADF-1, ADF-2, ADF-3 e ADF-4. Nonostante per queste proteine ci siano delle differenze, specialmente nella struttura primaria, esse presentano caratteristiche comuni.

La struttura primaria, ovvero la sequenza amminoacidica, di queste proteine è caratterizzata fondamentalmente da blocchi di alanina (idrofobi) alternati a blocchi di glicina (idrofili). Per quanto riguarda la struttura secondaria le regioni della catena proteica ricche in alanina sono  contraddistinte da domini cristallini costituiti da foglietti beta raggruppati insieme. Mentre le regioni della catena proteica ricche in glicina hanno una struttura secondaria meno ordinata consistenti di ripiegamenti ed eliche. Esse corrispondono alla matrice amorfa della proteina.  Inoltre residui di glutammina nelle regioni amorfe della catena sono responsabili della natura idrofila della seta del ragno. La risultante struttura proteica complessiva assomiglia a quella degli elastomeri sintetici, in cui zone rigide, caratterizzate da segmenti  di catena ordinati (domini cristallini) che fungono da punti di reticolazione fisica, si alternano con zone flessibili (regioni amorfe), contraddistinte da segmenti di catena orientati casualmente (Figura 3). Perciò la quantità dei blocchi di alanina determina il livello di cristallinità nella fibra e sono correlati alla resistenza e alla rigidità della fibra. Invece la quantità dei blocchi di glicina contribuisce all’estensibilità e alla flessibilità della fibra.

Le origini delle proprietà elastiche della seta del ragno e degli elastomeri sintetici sono, quindi, molto simili: lo sforzo causato da una fonte esterna induce un orientamento nei segmenti di catena flessibili, per cui il grado di estensione dipende in gran parte dalla lunghezza delle catene nelle regioni amorfe. Rilasciando lo sforzo, le regioni estese tornano nelle condizioni iniziali meno ordinate a causa del guadagno entropico che ne deriva.

Oltre alla struttura primaria e secondaria della proteina, le strutture terziarie e quaternarie, che si formano in natura durante il processo di filatura, hanno una forte influenza sulle proprietà della seta e tutte devono essere riprodotte in modo ottimale per ottenere fibre con proprietà meccaniche simili alla seta del ragno.

Figura 3. 

Figura 3. Rappresentazione schematica della struttura della seta dragline.

Applicazioni della seta del ragno

Viste le proprietà possedute dalla seta del ragno, le sue potenziali applicazioni sono molteplici. Esse spaziano dal campo tessile a quello dei biomateriali, estendendosi anche alla medicina ed alla microelettronica. Ad esempio, la seta del ragno può essere utilizzata per la realizzazione di tessuti e rivestimenti resistenti e leggeri in applicazioni balistiche e militari. Però può anche essere adoperata per la creazione di legamenti artificiali, tendini e per materiali di riparazione ossea. Infatti la seta del ragno è notevolmente flessibile ed è 100 volte più forte dei legamenti naturali. Inoltre, la seta del ragno è biocompatibile, attivando una debole,o nulla, risposta immunitaria. Grazie alla sua biodegradabilità, la seta del ragno può essere utilizzata come film per il rilascio controllato dei farmaci (drug delivery), per suture e come scaffold in applicazioni di ingegneria tissutale. Ma non solo!

Le proteine ​​della seta del ragno potrebbero un giorno imitare anche i muscoli veri e propri. Alcuni ricercatori stanno progettando muscoli biomimetici (muscoli robotici che imitano le funzionalità della loro controparte biologica) sfruttando una proprietà della seta del ragno poco esplorata: la contrazione.

Le fibre di una ragnatela, quando gocce di acqua pendono giù da esse, si contraggono per mantenere la tensione, piuttosto che collassare o allungarsi. In presenza di elevata umidità la seta del ragno può restringersi fino al 50%. Ciò è sufficiente per far sì che una fibra lunga 40 millimetri e di diametro 5 micrometri (3 volte più piccola di un capello umano) possa sollevare almeno 100 mg. Questo potrebbe sembrare irrilevante, ma in realtà il lavoro svolto è 50 volte superiore a quello dei muscoli biologici. Infatti, riportandola in scala, una fibra del diametro di 1 mm potrebbe sollevare fino a 5 Kg ed una fibra di 2 cm di diametro fino a 2 tonnellate. Con solo l’azione dell’umidità la seta del ragno è potenzialmente utilizzabile non solo per i muscoli, ma anche per attuatori leggeri e compatti in applicazioni di robot o micro-macchine.

Un’altra proprietà della seta del ragno che potrebbe essere sfruttabile è la sua capacità di propagare la luce. Se si osservano le ragnatele alla luce del sole, esse scintillano. La luce perciò può propagarsi lungo fili di seta proprio come lo fa attraverso un cavo in fibra ottica. Sebbene le fibre di seta hanno perdite più  alte rispetto a quelle di vetro o polimeriche, esse sono più sottili, mantenendo comunque forza e flessibilità. Inoltre sono biocompatibili e potrebbero essere utilizzate per applicazione biomediche,  come ad esempio l’imaging.

Produzione della seta del ragno: il Biosteel

A differenza della seta del baco, la seta del ragno non è facilmente ottenibile allo stesso modo. Ciò accade poiché i ragni ne producono poca, sono territoriali, aggressivi e cannibali. Pertanto, con lo sviluppo della biologia molecolare, vari sistemi di ospiti eterologhi sono stati ingegnerizzati per cercare di produrre in grandi quantità le proteine ​​della seta del ragno.

Attraverso l’ingegneria genetica è possibile introdurre i geni dei ragni, responsabili della produzione della seta, in altri organismi al fine di ottenere sete ricombinate. Grazie alla tecnica del DNA ricombinante, la sequenza del DNA può essere manipolata allo scopo di generare le proteine di interesse. Inoltre, attraverso l’ingegneria metabolica e cellulare, è possibile produrre sete ​​aventi la struttura e la massa molecolare desiderata così come ottenerle in quantità sufficienti.

I geni dei ragni sono stati impiantati in batteri, lieviti, piante, cellule di mammiferi ed insetti, ottenendo per ognuno di essi differenti esiti.

Tra i risultati più soddisfacenti della ricombinazione genica ci furono quelli ottenuti da un’azienda canadese, la Nexia Biotechnologies Inc., che nel 2000 produsse una seta ricombinata con caratteristiche simili a quelle del ragno. Le diedero il nome di Biosteel. Gli scienziati inserirono i geni che codificano la seta dragline dei ragni tessitori (Nephila clavipes e Araneus diadematus) nel  DNA delle cellule mammarie, responsabili della produzione del latte nelle capre. Il latte, contenente la seta ricombinata, veniva raccolto e trattato per purificare le proteine costituenti la seta stessa. Quindi le proteine ​​di seta purificate potevano essere essiccate, sciolte in opportuni solventi e trasformate in microfibre usando metodi di filatura ad umido.

Il processo sviluppato dalla Nexia permise di purificare facilmente la seta ricombinata e di poterla produrre in grandi quantità. Tuttavia, le fibre risultanti da questo metodo presentavano, inizialmente, proprietà meccaniche inferiori  rispetto a quelle sintetizzate e filate dal ragno, riscontrando, durante la filatura, differenze nella loro microstruttura sia in termini di cristallinità che di allineamento delle catene proteiche. Questo perché il processo di filatura che esegue il ragno naturalmente è difficile da replicare. In particolare la filiera del ragno crea un determinato gradiente di concentrazione, pH e pressione, che guidano la soluzione proteica attraverso transizioni di fase liquido cristalline, generando, infine, la struttura della seta.

Nel corso degli anni hanno perfezionato il processo di filatura, ottenendo fibre con proprietà meccaniche il più vicino possibili a quelle prodotte naturalmente dal ragno.

Sono stati studiati e sviluppati anche altri sistemi, che prevedono l’utilizzo di lieviti, batteri (Escherichia Coli) o bachi da seta transgenici. Questi sistemi hanno dato ottimi risultati sia nella replicazione delle proteine sintetizzate dal ragno che per quanto riguarda le proprietà meccaniche della seta ricombinata. E sono potenzialmente sfruttabili per la produzione di BioSteel su larga scala ed a basso costo.

Attualmente, a livello industriale, AMSilk è l’azienda leader che produce sete di ragno ricombinate con il marchio BioSteel®. Esse vengono realizzate per applicazioni in campo tessile, automotive, biomedicale e cosmetico. Il Biosteel prodotto da AMSilk è stato utilizzato da Adidas per creare una scarpa da corsa biodegradabile allo scopo di aiutare a ridurre i rifiuti da bruciare o che impatterebbero negativamente sull’ambiente.

Conclusioni

La seta del ragno ha dimostrato possedere proprietà meccaniche eccezionali, non inferiori a quelle di altre fibre sintetiche ad alte prestazioni. Esse combinano una straordinaria resistenza ad un’elevata elasticità. Inoltre, essendo biodegradabile e biocompatibile, è possibile sfruttarla anche in applicazioni biomedicali ed a basso impatto ambientale. Alcuni processi sviluppati, come quello per fabbricare il Biosteel, hanno permesso la produzione su larga scala di sete di ragno ricombinate con proprietà simili a quelle naturalmente prodotte dal ragno. Esse attualmente vengono prodotte come fibre, pellicole, rivestimenti, perline, etc. e vengono utilizzate nella fabbricazione di tessuti non tessuti;  per la formazione di cavi e corde;  in applicazioni balistiche, di biomateriali, mediche; per somministrazione di farmaci e per strumenti musicali.

Il limite attuale che si ha con la seta del ragno è la sua disponibilità. Infatti ci sono  poche aziende che la producono su scala industriale. Ma le tecnologie correnti devono essere ancora migliorate pienamente, mentre altre sono ancora all’inizio del loro sviluppo. Così diversi studi sono in corso per far sì che nei prossimi anni la seta del ragno diventi un prodotto di largo consumo, al fine di sfruttare totalmente le sue enormi potenzialità.

Bibliografia

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