In natura, i ragni possono creare le fibre di seta più resistenti al mondo e possono persino creare fibre con proprietà meccaniche migliori delle fibre di seta artificiale in qualsiasi momento e in qualsiasi circostanza. Le capacità dei ragni e la seta che creano sono da tempo di interesse per i ricercatori. Oggi, gli scienziati hanno sviluppato fibre di seta di ragno artificiale che vengono utilizzate in una varietà di applicazioni, dai tessuti ad alte prestazioni ai componenti sostenibili nelle attrezzature e nei macchinari sportivi. Il metodo di produzione della seta di ragno naturale si basa principalmente sulla riproduzione agricola dei ragni per raccogliere la seta, ma questa modalità di raccolta necessita ancora di industrializzazione ed efficienza. D'altro canto, le fibre di seta di ragno sintetica devono ancora affrontare alcune sfide, come le proteine ​​della seta di ragno (spidroine) che devono essere prodotte in un ospite estraneo. Sebbene gli scienziati abbiano identificato una serie di ospiti adatti, come alcuni microrganismi procarioti, eucarioti, piante e persino animali transgenici, le loro rese sono basse e le proteine ​​della seta di ragno che producono hanno una bassa solubilità in acqua. Sebbene il successivo processo di filatura possa effettivamente apportare un grande miglioramento al metodo di produzione e alla struttura della fibra sintetica, le sue proprietà meccaniche sono ancora inadeguate rispetto alla pura fibra di seta naturale. Quindi Jan Johansson e Anna Rising del Karolinka Institute in Svezia hanno identificato i fattori chiave che influenzano le proprietà delle fibre di seta di ragno e, confrontando i vantaggi e gli svantaggi di diverse soluzioni, hanno ideato una tabella di marcia per sintetizzare nuove fibre di seta di ragno super artificiali. Le loro osservazioni lungimiranti sono pubblicate nell'ultimo numero della rivista ACS Nano, intitolato "Doing what Spiders cannot-a road map to supreme artificial silk fibers".

In generale, ogni ragno può creare sette diversi tipi di fibre di seta, ciascuna delle quali ha diverse proprietà meccaniche. Queste fibre di seta sono composte principalmente da proteine ​​della seta di ragno, che condividono domini terminali globulari di regioni ripetute contenenti 110-130 amminoacidi. Questi domini terminali nelle proteine ​​della seta sono unici e regolano la solubilità della seta e controllano la formazione delle fibre, mentre i domini ripetuti controllano le proprietà meccaniche della seta. Tra queste, la fibra di seta più dura (Dragline) è composta principalmente da proteine ​​della seta ampollari (MASP) e la sua regione ripetuta contiene principalmente segmenti iterativi di poli-Ala e regioni ripetute ricche di glicina (Gly). Nelle ghiandole della seta dei ragni, la concentrazione di proteine ​​della seta è pari al 50% (W/V). Sebbene non abbiamo ancora capito appieno come la proteina della seta di ragno rimanga in una concentrazione così elevata e non produca sedimenti, ma oggi è noto che la modalità di conservazione consiste principalmente nel ripetere l'area in modo casuale arrotolata immagazzinata all'interno delle ghiandole della seta e il dominio terminale dell'elica alfa può far sì che la proteina della seta mantenga una certa idrofilia, principalmente attaccata per aiutare nello strato superficiale dell'immagazzinamento interno della ghiandola della seta. La sintesi delle fibre della seta di ragno avviene principalmente nel tubo di erogazione, inclusa la diminuzione del valore del pH e l'aumento dello stress di taglio relativo, che porta alla pultrusione e infine alla formazione della proteina della seta di ragno. Ciò che è più interessante è che i domini terminali N e C delle proteine ​​della seta di ragno agiscono come "blocco e innesco" durante la sintesi. Il dominio n-terminale dimerizza a pH inferiore, in un modo che imita l'accoppiamento della rete, bloccando la proteina della seta di ragno. Sotto l'influenza del valore del pH e dello stress da taglio, la regione C-terminale ha formato un nucleo β-lamellare, che ha promosso la trasformazione della regione di ripetizione degli amminoacidi in un nucleo β-lamellare. Alla fine, questo meccanismo "lock and trigger" trasforma la proteina liquida della seta in una fibra solida.

I principali componenti della fibrina nella seta di ragno

Diversi fattori chiave che influenzano le fibre di seta di ragno

La proteina della seta macroampollare è anisotropica nella struttura nanometrica e i suoi nuclei β-lamellari laminati formano un dominio cristallino (β-cristallo), che è incorporato nella matrice amorfa. La sua funzione principale è quella di controllare la resistenza alla trazione delle fibre di seta di ragno. Questa struttura è la chiave per determinare le sue proprietà meccaniche. Sebbene la relazione specifica tra il grado di cristallizzazione e le proprietà meccaniche non sia chiara, si è scoperto che il volume del dominio cristallino stesso svolge un ruolo decisivo nel raggiungimento di un'elevata resistenza alla trazione, riducendo potenza e tenacità attraverso la simulazione cinetica.

Le proteine ​​della seta sono proteine ​​secretorie, quindi devono passare attraverso l'omento endoplasmatico per entrare nel percorso secretorio. La necessità di trasportare le proteine ​​della seta all'omento endoplasmatico impedisce l'uso di catene laterali che mediano le reazioni tra segmenti e strati β-cristallini, il che è una considerazione importante per le fibre di seta sintetiche.

La polialanina è significativamente migliore della singola alanina in termini di idrorepellenza e produzione di fibre di seta. Le previsioni del database Zipper basate sui poliamminoacidi (Poly-Ala, Poly-Val, Poly-Ile) indicano che i poliamminoacidi più idrorepellenti producono effettivamente interazioni nucleari β-lamellari più stabili. Il motivo per cui il ragno ha scelto di non usare questi due amminoacidi come proteina della seta macroampollare potrebbe essere dovuto alla sua relativamente forte idrorepellenza e al fatto che tali regioni ripetute potrebbero rimanere intrappolate quando attraversano l'omento endoplasmatico. Naturalmente, la tecnologia odierna ha consentito la sintesi di fibre di seta di ragno artificiali nei sistemi eucariotici legando catene di amminoacidi come valina e isoleucina ad altre catene ed esprimendole direttamente all'interno della cellula, evitando la necessità di attraversare il reticolo endoplasmatico. Tuttavia, l'elevata idrofobicità di queste due catene di amminoacidi rende difficile per l'ospite produrre fibre nel nucleo. Naturalmente, produrre fibre artificialmente con solventi organici e filatura potrebbe ridurre i requisiti di solubilità, ma richiederebbe anche metodi di sintesi più sofisticati.

Roadmap per la sintesi di nuove fibre di seta di ragno super artificiali

Sulla base di teorie e metodi noti, gli autori hanno riassunto una tabella di marcia per la sintesi di fibre di seta di ragno super artificiali. Innanzitutto, i metodi utilizzati in bioinformatica (in silico) possono essere utilizzati per sintetizzare regioni ripetute di poliamminoacidi (poli-val, poli-ile) e β-cristalli da varianti che aumentano lo spazio di sequenza. Questi cristalli risultanti possono a loro volta essere valutati per stabilità e durezza mediante simulazioni di dinamica molecolare. Poiché i ragni stessi non sono in grado di produrre seta utilizzando materiali non polari che vengono allungati su lunghe distanze, il nuovo elemento introdotto porterà senza dubbio alcuni vantaggi nella seta sintetica. Naturalmente, anche le regioni ripetute formate dai nuovi β-cristalli sintetizzati devono essere valutate mediante simulazioni di dinamica molecolare e test sperimentali. Infine, le nuove fibre di seta sintetica prodotte tramite filatura possono essere testate per proprietà meccaniche e strutture da confrontare con le fibre di seta prodotte dai ragni.