Bactérias fazem ‘Seda de Lagarta’ sendo mais Poderosa do que o Aço

Expandido por microorganismos e fiado num laboratório, é parte seda natural de aranha, parte desenvolvimento humano.

Os cientistas sonham há muito tempo em fazer seda rastreada sintética e transformá-la em todos os materiais leves, de tecidos superfortes a fios cirúrgicos. Mas embora fazer seda possa ser muito fácil para as aranhas, é difícil para os ‘designers’. Atualmente, um grupo pensa que finalmente conseguiu — o seu método: contar com a ajuda de microrganismos.

A seda sintética resultante é mais robusta e também mais desafiadora do que alguns rastreadores podem fazer.

“Pela primeira vez, podemos replicar não apenas o que a natureza pode fazer, mas ir além do que a seda natural pode fazer”, diz Jingyao Li. Ele é um dos ‘designers’ químicos que fez a manutenção do item.

O seu grupo na Washington University em St. Louis, Missouri, explicou como eles fizeram isso no ACS Nano de 27 de julho.

Nanocristais são o segredo das sedas sólidas

As proteínas são partículas complexas que oferecem aos pontos vivos a sua estrutura e função. As proteínas saudáveis ​​produtoras de seda de uma aranha, chamadas spidroins, se formam na sua área abdominal como um fluido espesso. As fiandeiras, partes do corpo nas costas da aranha, giram o líquido em longos fios. As moléculas de proteína da seda são preparadas numa estrutura limitada de duplicação chamada nanocristal. Estendendo-se por alguns bilionésimos de metro (gramado), esses cristais são a fonte da resistência da seda rastreadora. Quanto mais nanocristais em fibra, mais forte será, sem dúvida, o fio de seda.

O problema usual com que os cientistas lidaram é desenvolver fibras com nanocristais suficientes para desenvolver seda. Li explica: “O que acontece na glândula de seda da aranha é bastante complicado, além de extremamente delicado — difícil de reproduzir totalmente.”

Alguns anos atrás, um colega pesquisador fundiu dois conjuntos de proteínas espidroína. Isso desenvolveu uma estrutura com grandes negócios de nanocristais. A equipa de Li também entendeu que uma determinada proteína saudável — amiloide (AM-ih-loyd) — poderia melhorar a produção de cristais. Li e o seu gerente no Washington College, Fuzhong Zhang, questionaram se eles poderiam combinar amiloide com spidroína para fazer uma longa proteína cruzada que se moldaria facilmente em nanocristais. Eles chamaram esse cruzamento de polímero de proteína amiloide.

Polímeros são partículas em forma de cadeia feitas de links da web duplicados. Bactérias típicas têm produzido proteínas saudáveis ​​em laboratórios de ciências por muitos anos. Li compara os microorganismos a “pequenas fábricas” de proteínas saudáveis. A sua equipa decidiu aproveitar esses microrganismos de uma única célula para fazer a sua proteína cruzada saudável.

DNA é o código genético que oferece a todas as pessoas os seus atributos. Os cientistas começaram a inserir um ‘item’ de DNA estranho direto nos germes. Grupo selecionado para lidar com Escherichia coli. Esse é um microorganismo comum descoberto no ambiente e também no trato digestivo humano.

Para esse DNA, os ‘designers’ recorreram à tecelã de orbe de ouro (Trichonephila clavipes). É também conhecido como aranha banana ou rastejador de seda dourada. Essas fêmeas giram em várias das mais extensas internets nas florestas do sul dos EUA. A seda do fio de arrasto que levanta as suas teias parece ser um fio dental frágil. No entanto, é mais robusto e também mais elástico do que o aço. Tem que ser. Essa teia deve ser resistente o suficiente para segurar qualquer vítima de inseto que apanha, junto com o tecelão — que pode atingir 7 centímetros (quase 3 polegadas) de comprimento — e também o seu companheiro.

Começando com o DNA do rastreador, os cientistas o ajustaram sutilmente no laboratório antes de inserir na bactéria. Posteriormente, como esperado, esse microrganismo fez a proteína cruzada. Em seguida, os pesquisadores o transformaram em pó. Quando aglomerado, tem a aparência e a aparência de algodão-doce branco, afirma Li.

Girando a fibra e testando a sua resistência

Os pesquisadores ainda não podem duplicar a ação de girar a teia das fiandeiras de uma aranha. Portanto, eles adotam uma abordagem diferente. Inicialmente, eles dissolvem a proteína em pó num remédio. Isso simula a seda líquida no abdômen de um rastreador. Depois disso, eles pressionam essa opção por meio de uma grande inauguração direto para um segundo remédio. Isso faz com que a base da proteína saudável se dobre e se prepare em fibras.

Para examinar a sua resistência, os engenheiros desenharam as fibras até que quebrassem. Da mesma forma, eles registraram quanto tempo um fio esticava antes de se romper. Essa capacidade de estender implicava que as fibras eram resistentes. Assim como a nova seda híbrida derrotou algumas sedas de aranha naturais, tanto na sua força quanto na sua robustez.

Fazer a seda sintética “é menos complicado e muito menos trabalhoso do que os procedimentos anteriores”, agora relata Li. E também, para sua surpresa, “Os germes podem produzir proteínas maiores do que esperávamos”.

Young-Shin Jun, mais um engenheiro químico do Washington College, revelou isso utilizando difração de raios-X. A estratégia irradia comprimentos de onda super curtos de luz num cristal para criar imagens da configuração dos seus átomos num cristal.

O que ela viu verificou a estrutura desafiadora das fibras. Seda crawler totalmente natural pode ter até 96 nanocristais repetidos. A E. coli produziu um polímero de proteína com 128 nanocristais em duplicação. Assemelhava-se à estrutura amiloide encontrada na seda rastreadora natural, afirma Zhang, porém também mais robusta.

Polímeros mais longos com componentes mais interconectados geralmente tendem a produzir uma fibra que é mais difícil de dobrar ou danificar. Nessa situação, Li afirma: “Ele tem casas mecânicas muito melhores do que a espidroína natural”.

Indo longe

Anna Climbing é bioquímica da Universidade Sueca de Ciências Agrícolas em Uppsala e do Instituto Karolinska de Estocolmo. Ela, também, tem trabalhado para criar seda artificial de aranha. Ela vê o trabalho do grupo de Li como um avanço significativo. As suas novas fibras de proteína, ela concorda, são sólidas e elásticas.

“O próximo desafio pode ser fazer com que a bactéria crie uma proteína ainda mais saudável”, afirma Climbing. Ela tem interesse em usar seda rastreadora para necessidades clínicas. O seu próprio trabalho envolveu a fabricação de grandes lotes de spidroins, suficientes para girar uma fibra de 125 quilómetros (77,7 milhas) de comprimento.

Li e também Zhang imaginam um dia transformando a sua seda em tecidos ou talvez em fibras de tecido muscular fabricado. Nesse ínterim, eles se preparam para avaliar outras categorias de proteínas amiloides na produção de seda. Cada novo estilo de proteína saudável pode ter propriedades residenciais ou comerciais valiosas. Além disso, Li acrescenta: “Existem centenas de amiloides que ainda não experimentamos. Portanto, há espaço para tecnologias. ”

Leia o artigo original no Science News.