La natura ha evoluto sostanze a base proteica con proprietà meccaniche che rivaleggiano anche con i migliori materiali sintetici. Per esempio, Libra per libra, la seta di ragno è più forte e più resistente dell'acciaio. Ma a differenza dell'acciaio, la fibra naturale non può essere prodotta in serie. Oggi, gli scienziati segnalano un nuovo metodo che sfrutta i batteri ingegnerizzati per produrre seta di ragno e altre proteine ​​difficili da produrre che potrebbero essere utili durante le future missioni spaziali.

I ricercatori presenteranno oggi i loro risultati all'American Chemical Society (ACS) Spring 2019 National Meeting &Exposition.

"In natura, ci sono molti materiali a base di proteine ​​che hanno proprietà meccaniche sorprendenti, ma la disponibilità di questi materiali è molto spesso limitata, "dice Fuzhong Zhang, dottorato di ricerca, ricercatore principale del progetto. "Il mio laboratorio è interessato all'ingegneria dei microbi in modo che possiamo non solo produrre questi materiali, ma renderli ancora migliori."

Se prodotto in quantità sufficiente, la seta di ragno potrebbe essere utilizzata per una varietà di applicazioni, che vanno dal tessuto antiproiettile alle suture chirurgiche. Ma la seta di ragno non è facile da coltivare:i ragni ne producono piccole quantità, e alcune specie diventano cannibali se tenute in gruppo. Perciò, gli scienziati hanno provato a ingegnerizzare batteri, lievito, piante e persino capre per produrre seta di ragno, ma non sono ancora stati in grado di replicare completamente le proprietà meccaniche della fibra naturale.

Parte del problema è che le proteine ​​della seta di ragno sono codificate da lunghissimi, sequenze di DNA altamente ripetitive. I ragni hanno evoluto modi per mantenere queste sequenze nel loro genoma. Ma quando gli scienziati mettono questo tipo di DNA in altri organismi, i geni sono molto instabili, spesso tagliato o alterato in altro modo dal macchinario cellulare dell'ospite. Zhang e i colleghi della Washington University di St. Louis si sono chiesti se potevano spezzare il lungo, sequenze ripetitive in blocchi più brevi che i batteri potrebbero gestire e trasformare in proteine. Quindi, i ricercatori potrebbero assemblare le proteine ​​più corte nella fibra di seta di ragno più lunga.

Il team ha introdotto geni ai batteri che codificano due pezzi della proteina della seta di ragno, ciascuno affiancato da una sequenza chiamata inteina divisa. Le inteine ​​divise sono sequenze proteiche naturali con attività enzimatica:due inteine ​​divise su diversi frammenti proteici possono unirsi e quindi tagliarsi per produrre una proteina intatta. Dopo aver introdotto i geni, i ricercatori hanno aperto i batteri e purificato i brevi pezzi di proteine ​​della seta di ragno. Mescolare i frammenti li ha fatti unire insieme attraverso la "colla" della sequenza dell'intestino diviso, che poi si ritaglia per produrre la proteina a lunghezza intera. Quando viene filato in fibre, la seta di ragno prodotta microbicamente aveva tutte le proprietà della seta di ragno naturale, compresa una forza eccezionale, tenacità ed elasticità. I ricercatori hanno ottenuto più seta con questo metodo di quanto avrebbero potuto dai ragni (fino a due grammi di seta per litro di coltura batterica), e attualmente stanno cercando di aumentare ancora di più la resa.

I ricercatori possono produrre varie proteine ​​ripetitive semplicemente scambiando il DNA della seta di ragno e inserendo altre sequenze nei batteri. Per esempio, i ricercatori hanno utilizzato la tecnica per produrre una proteina dalle cozze che aderisce fortemente alle superfici. La proteina un giorno potrebbe essere applicata come adesivo subacqueo. Ora, i ricercatori stanno lavorando per ottimizzare il processo in modo che la reazione di unione delle proteine ​​possa avvenire all'interno delle cellule batteriche. Ciò migliorerebbe l'efficienza e la potenziale automazione del sistema perché i ricercatori non dovrebbero purificare i due pezzi della proteina e poi incubarli insieme.

Oltre alle applicazioni qui sulla Terra, il sistema di produzione di proteine ​​batteriche potrebbe essere utile durante le missioni spaziali, Note di Zhang. "La NASA è uno dei nostri finanziatori, e sono interessati alla bioproduzione, ", dice. "Stanno attualmente sviluppando tecnologie in cui possono convertire l'anidride carbonica in carboidrati che potrebbero essere utilizzati come cibo per i microbi che stiamo progettando. Quel modo, gli astronauti potrebbero produrre questi materiali a base di proteine ​​nello spazio senza portare una grande quantità di materie prime".