Seta di ragno: il futuro dei materiali è bioingegnerizzato

I ragni, creature apparentemente ordinarie, si rivelano ingegneri di materiali di straordinaria abilità. Ben oltre la semplice tessitura di ragnatele, questi aracnidi progettano fibre di seta con proprietà meccaniche eccezionali, grazie a un processo di rafforzamento a livello molecolare. Un recente studio condotto dalla Northwestern University ha svelato i segreti della seta di ragno, aprendo la strada a innovazioni rivoluzionarie nel campo dei materiali bioingegnerizzati.

Il segreto della seta di ragno: un’innovazione bioispirata per il futuro

La seta di ragno, rinomata per la sua resistenza e flessibilità, è il risultato di un’ingegneria naturale sofisticata. Mentre filano, i ragni allungano la seta, allineando le proteine e formando legami extra che ne aumentano la durata. Questo processo, noto come “disegno“, è fondamentale per conferire alla seta le sue proprietà meccaniche superiori.

Utilizzando simulazioni computazionali e esperimenti di laboratorio, i ricercatori della Northwestern University hanno scoperto che l’allungamento della seta provoca l’allineamento delle catene proteiche e la formazione di legami molecolari aggiuntivi. Questi cambiamenti strutturali aumentano significativamente la forza e la resistenza delle fibre.

Per confermare le loro scoperte, il team ha condotto esperimenti con seta di ragno ingegnerizzata, ottenendo risultati che supportano le simulazioni al computer. Questi risultati aprono la strada allo sviluppo di materiali avanzati ispirati alla seta, con applicazioni che spaziano dalle suture chirurgiche biodegradabili alle armature ultra resistenti.

“I ricercatori sapevano già che questo allungamento, o disegno, è necessario per creare fibre davvero resistenti“, ha affermato Sinan Keten, autore senior dello studio: “Ma nessuno sapeva necessariamente perché. Con il nostro metodo computazionale, siamo stati in grado di sondare cosa sta accadendo a livello nanometrico per ottenere informazioni che non possono essere osservate sperimentalmente. Abbiamo potuto esaminare come il disegno si collega alle proprietà meccaniche della seta“.

Jacob Graham, primo autore dello studio, ha aggiunto: “I ragni eseguono il processo di estrazione in modo naturale. Quando filano la seta dalla loro ghiandola della seta, i ragni usano le zampe posteriori per afferrare la fibra e tirarla fuori. Ciò allunga la fibra mentre viene formata. Rende la fibra molto forte e molto elastica. Abbiamo scoperto che è possibile modificare le proprietà meccaniche della fibra semplicemente modificando la quantità di allungamento“.

Questo studio rappresenta un passo avanti significativo nella comprensione della seta di ragno e nel suo potenziale per applicazioni bioingegneristiche. La capacità di replicare e migliorare le proprietà della seta di ragno potrebbe portare a innovazioni rivoluzionarie in diversi settori, dalla medicina all’ingegneria dei materiali. La possibilità di creare materiali con la stessa resistenza e flessibilità della seta di ragno potrebbe trasformare settori come la produzione di dispositivi medici, l’industria tessile e la produzione di materiali compositi ad alte prestazioni.

Un materiale del futuro tra laboratorio e natura

Più forte dell’acciaio, più resistente del Kevlar e più elastica della gomma, la seta di ragno rappresenta un vero e proprio tesoro della natura. Tuttavia, l’allevamento di ragni per la loro seta naturale si rivela un processo costoso, energivoro e complesso. Per questo motivo, gli scienziati si sono impegnati a ricreare materiali simili alla seta in laboratorio.

“Questa seta è la fibra organica più resistente“, ha affermato Graham: “Ha anche il vantaggio di essere biodegradabile. Quindi, è un materiale ideale per applicazioni mediche. Potrebbe essere utilizzata per suture chirurgiche e gel adesivi per la chiusura delle ferite, perché si degraderebbe naturalmente e innocuamente nel corpo”.

Fuzhong Zhang, coautore dello studio e professore alla Washington University (WashU) di St. Louis, ha dedicato anni alla progettazione di microrganismi in grado di produrre materiali simili alla seta di ragno. Attraverso l’estrusione di proteine di seta di ragno ingegnerizzate e la successiva stiratura manuale, il team ha sviluppato fibre artificiali che emulano i fili del tessitore di seta dorata, un ragno noto per la sua ragnatela eccezionalmente resistente.

Nonostante il successo nello sviluppo di questa “ricetta” per la seta, i ricercatori non avevano ancora compreso appieno come il processo di filatura influenzi la struttura e la resistenza delle fibre. Per rispondere a questa domanda, Keten e Graham hanno sviluppato un modello computazionale in grado di simulare le dinamiche molecolari all’interno della seta artificiale di Zhang.

Attraverso queste simulazioni, il team della Northwestern University ha esplorato come lo stretching influenzi la disposizione delle proteine all’interno delle fibre. In particolare, hanno esaminato come lo stretching modifichi l’ordine delle proteine, la connessione tra le proteine e il movimento delle molecole all’interno delle fibre.

Keten e Graham hanno scoperto che lo stretching provoca l’allineamento delle proteine, aumentando la resistenza complessiva della seta di ragno. Hanno anche osservato che lo stretching aumenta il numero di legami idrogeno, che agiscono come ponti tra le catene proteiche, contribuendo alla resistenza, alla tenacità e all’elasticità della fibra.

“Una volta che una fibra viene estrusa, le sue proprietà meccaniche sono in realtà piuttosto deboli“, ha detto Graham: “Ma quando viene allungata fino a sei volte la sua lunghezza iniziale, diventa molto forte”.

Per convalidare i risultati computazionali, il team ha utilizzato tecniche di spettroscopia per esaminare come le catene proteiche si allungano e si allineano nelle fibre reali del team WashU. Hanno anche condotto test di trazione per misurare la tolleranza delle fibre all’allungamento prima della rottura. I risultati sperimentali hanno confermato le previsioni della simulazione.

“Se non si allunga il materiale, si ottengono queste sfere di proteine“, ha detto Graham: “Ma lo stretching trasforma queste sfere in una rete più interconnessa. Le catene proteiche della seta di ragno si impilano l’una sull’altra e la rete diventa sempre più interconnessa. Le proteine raggruppate hanno più potenziale per srotolarsi ed estendersi ulteriormente prima che la fibra si rompa, ma le proteine inizialmente estese creano fibre meno estensibili che richiedono più forza per rompersi“.

Conclusioni

Graham, che inizialmente considerava i ragni solo come insetti striscianti, ora ne riconosce il potenziale nel risolvere problemi reali. La seta di ragno ingegnerizzata offre un’alternativa più forte e biodegradabile ai materiali sintetici, principalmente plastiche derivate dal petrolio.

“Guardo sicuramente i ragni sotto una nuova luce”, ha concluso Graham: “Pensavo che fossero fastidiosi. Ora li vedo come una fonte di fascino”.

Lo studio è stato pubblicato su Science Advances.