Léo RamosUna telaraña: resistencia y elasticidad trasladadas a un biopolímero elaborado con proteínasLéo Ramos
En las pantallas de cine y en las historietas, el superhéroe se desplaza por la metrópolis colgado de resistentes hilos de seda, a los también usa para inmovilizar a los villanos que asolan la ciudad. En lo que dependa de un grupo de científicos brasileños encabezados por Elíbio Rech, investigador de Embrapa Recursos Genéticos y Biotecnología, de Brasilia, dentro de algunos años esta ficción podrá, con ciertas adaptaciones, convertirse en realidad. Rech se encuentra al frente de un equipo cuyo objetivo consiste en fabricar fibras sintéticas inspiradas en las telas de araña de la biodiversidad brasileña. Ese biopolímero artificial, cuyo proceso de fabricación en laboratorio ya se domina plenamente, podrá usarse como materia prima para la fabricación de una vasta gama de productos, entre ellos hilos biodegradables para suturas quirúrgicas, chalecos antibalas más livianos que los actuales, parachoques flexibles de automóviles e incluso maleteros y otros componentes plásticos de aviones. Con un poco de imaginación, estos hilos sintéticos podrán incluso dar origen a cuerdas ultrarresistentes, capaces de tener un uso similar al que les da a las suyas el Hombre Araña, el superhéroe de Marvel Comics.
“Este nuevo biomaterial, fabricado con la ayuda de herramientas de la biotecnología y la ingeniería genética, teóricamente podrá utilizarse para una infinidad de aplicaciones que requieren flexibilidad, resistencia y biodegradabilidad en un mismo material”, afirma Elíbio Rech. “Ya dominamos la tecnología de producción de hilos sintéticos de telas de araña en laboratorio. Nuestro reto ahora consiste en definir una forma económica, rápida y segura de producirlo en gran escala”. Las investigaciones, que empezaron nueve años atrás, están a cargo de Rech y cuentan con la participación de investigadores de la Universidad de São Paulo (USP), del Instituto Butantan y de la Universidad de Brasilia (UnB), además de los científicos Randy Lewis, de la Universidad de Utah, y David Kaplan, de la Universidad Tufts, ambas de Estados Unidos.
Infografías: Ana Paula Campos e Yuri Vasconcelos / Ilustraciones: Alexandre AfonsoEl interés en producir fibras que mimetizan la seda de las arañas radica en que ese material reúne propiedades únicas. Los hilos de las telarañas son al mismo tiempo resistentes y elásticos. A modo de comparación, puede decirse que el acero es altamente resistente, pero no es flexible. Elaborados con proteínas, los hilos de seda son biodegradables. Al efectuar el análisis molecular de este material, los científicos brasileños descubrieron que las arañas de la biodiversidad brasileña producen telas sumamente robustas y flexibles. “Un cable del espesor de un bolígrafo tejido con hilos de telaraña, por ejemplo, podría usarse para desplazar a un avión grande, tipo Boeing, sin cortarse”, comenta el investigador de Embrapa. “Sabemos que la seda de las arañas posee características de flexibilidad y resistencia superiores a las de cualquier material existente, incluso que las del polímero Kevlar, utilizado en la fabricación de chalecos antibalas”, dice Rech, quien es autor de diversos artículos sobre el tema, el más reciente de los cuales salió publicado en diciembre de 2013 en Nature Communications, revista científica del grupo Nature.
El estudio publicado revela la compleja organización a escala nanométrica de las proteínas contenidas en las telas de araña encontradas en Brasil. Esa organización estructural les confiere resistencia y elasticidad. En dicho artículo, escrito en coautoría con el biólogo Luciano Silva, también de Embrapa, se revela por primera vez la nanoestructura de dichos hilos. “Mediante el empleo de microscopía de fuerza atómica de alta resolución, los detalles de cada fibra se ampliaron hasta 1.000 millones de veces, lo que nos permitió diferenciar, por ejemplo, entre las fibras más elásticas y las más resistentes. El estudio permitió mejorar y acelerar nuestro dominio de la producción de fibras sintéticas inspiradas en las telas de araña”, explica Rech.
Biofábricas programadas
El proceso de creación de las fibras artificiales comprende el dominio de complejas técnicas de ingeniería genética. La primera etapa para la fabricación del biopolímero en laboratorio consistió en la detección y el aislamiento de los genes de las glándulas productoras de seda de cinco especies de arañas (Nephila clavipes, Argiope aurantia, Nephylengys cruentata, Parawixia bistriata y Avicularia juruensis) de tres diferentes biomas brasileños: el bosque atlántico, el Amazonia y el cerrado o sabana. Posteriormente, los científicos realizaron análisis moleculares, bioquímicos, biofísicos y mecánicos para estudiar dichos genes y comprender sus funciones. Con base en los resultados de los mismos, construyeron secuencias sintéticas de ADN para la producción de hilos con resistencia y flexibilidad. Posteriormente, se clonaron los genes modificados con las nuevas secuencias de ADN y se los introdujo en el genoma de bacterias Escherichia coli, programadas para actuar como biofábricas. De este modo, las bacterias transgénicas E. coli pasaron a sintetizar en gran escala las proteínas recombinantes que forman los hilos de las telarañas, como si fuesen fábricas naturales de la molécula. El siguiente paso consistió en la extracción de las proteínas de las bacterias. A tal fin, se solubilizó la masa de microorganismos (se la diluyó en un medio líquido) y se la purificó en una columna de extracción, donde se efectuó la separación de las proteínas del resto del material.
Léo RamosAnálisis moleculares de telarañas de la biodiversidad brasileña contribuirán para la producción del biopolímeroLéo Ramos
El desafío final consistió en transformar las proteínas en la fibra propiamente dicha. En las arañas, este proceso se lleva a cabo en un órgano específico, llamado espirineta. Éste organiza las proteínas en la seda que la araña empleará para tejer sus telas. “Lo que hicimos fue simular ese órgano. Con la ayuda de una jeringa especial que lo imita, produjimos los hilos en el laboratorio, con base en las proteínas extraídas de las bacterias”, dice el investigador. Este proceso apareció explicado en un artículo publicado en Nature Protocols, revista también del grupo Nature, en 2009. El texto llevó las firmas de Rech y Daniela Bittencourt, de Embrapa, y de otros tres investigadores de la Universidad de Wyoming, Estados Unidos.
Elevado costo
Según Rech, aparte de resultar en aplicaciones destinadas a distintos sectores de la economía, debido a que los estudios están relacionados con arañas brasileñas, poseen otra ventaja, que consiste en que le agregan valor a la biodiversidad nacional. “La sostenibilidad es un aspecto importante en nuestro trabajo. Estudiamos la biodiversidad brasileña empleando la tecnología de ADN recombinante como modelo de opción factible para la generación de ‘activos’ y para agregar valor”, dice. “El uso de la biología sintética y la ingeniería metabólica abre la posibilidad de concretar la ingeniería de organismos, entre ellos bacterias, en carácter de reactores destinados a la producción de las proteínas asociadas a la fabricación de telarañas en gran escala y a un costo económicamente factible”. En esto radica el mayor reto de los científicos, a los efectos de dotar de uso comercial a las fibras sintéticas para la fabricación de una gran variedad de productos.
Infografías: Ana Paula Campos e Yuri Vasconcelos / Ilustraciones: Alexandre AfonsoLa principal alternativa consiste en descubrir una “fábrica natural” que sintetice en gran escala las proteínas que dan origen al hilo. La técnica basada en el empleo de bacterias tiene un problema: el elevado costo del proceso. Por eso, Rech está probando producir la proteína en semillas de soja, y el grupo de Randy Lewis, de la University of Utah, hace lo propio con leche de cabra. Tanto en uno como en otro sistema, la molécula sería extraída al final del proceso y transformada en fibra. “Nuestras investigaciones se encuentran en marcha aún, por eso todavía no es posible estimar cuánto tiempo será necesario para que el material esté disponible en el mercado”, dice.
Investigaciones con la misma finalidad también se llevan cabo en otros países. El ejército estadounidense, por ejemplo, adquirió hace algunos años un proyecto desarrollado por laboratorios canadienses destinado a la fabricación de hilos sintéticos de telaraña, y se aboca a la búsqueda de una forma de escalonar su producción. El científico Randy Lewis, socio de Rech, toma parte en esta iniciativa. “Este proyecto marcha muy bien”, dice el investigador de Embrapa. “Pero, hasta donde sé, ningún grupo de investigación en el mundo ha logrado hasta el momento arribar a una solución de bajo costo. Eso es lo que buscamos.”
Artículos científicos
SILVA, L.P. y RECH, E.L. Unravelling the biodiversity of nanoscale signatures of spider silk fibres. Nature Communications. 18 dic. 2013.
TEULÉ, F. et al. A protocol for the production of recombinant spider silk-like proteins for artificial fiber spinning. Nature Protocols. v. 4, n. 3, p. 341-55. 2009.
