Si dice che la seta di ragno sia una delle più forti, materiali più resistenti sulla Terra. Ora gli ingegneri della Washington University di St. Louis hanno progettato proteine ​​ibride di seta amiloide e le hanno prodotte in batteri ingegnerizzati. Le fibre risultanti sono più forti e resistenti di alcune sete di ragno naturali.

La loro ricerca è stata pubblicata sulla rivista ACS Nano.

Per essere precisi, la seta artificiale, soprannominata fibra di "amiloide polimerica", non è stata tecnicamente prodotta dai ricercatori, ma da batteri che sono stati geneticamente modificati nel laboratorio di Fuzhong Zhang, un professore del Dipartimento di Energia, Ingegneria ambientale e chimica presso la McKelvey School of Engineering.

Zhang ha già lavorato con la seta di ragno. Nel 2018, il suo laboratorio ha progettato batteri che hanno prodotto una seta di ragno ricombinante con prestazioni alla pari con le sue controparti naturali in tutte le importanti proprietà meccaniche.

"Dopo il nostro lavoro precedente, Mi chiedevo se potessimo creare qualcosa di meglio della seta di ragno usando la nostra piattaforma di biologia sintetica, " disse Zhang.

Il gruppo di ricerca, che include il primo autore Jingyao Li, un dottorato di ricerca studente nel laboratorio di Zhang, modificato la sequenza amminoacidica delle proteine ​​della seta di ragno per introdurre nuove proprietà, pur mantenendo alcune delle caratteristiche attraenti della seta di ragno.

Un problema associato alla fibra di seta di ragno ricombinante, senza modifiche significative dalla sequenza naturale della seta di ragno, è la necessità di creare nanocristalli β, un componente principale della seta di ragno naturale, che contribuisce alla sua forza. "I ragni hanno scoperto come filare le fibre con una quantità desiderabile di nanocristalli, " ha detto Zhang. "Ma quando gli umani usano processi di filatura artificiale, la quantità di nanocristalli in una fibra di seta sintetica è spesso inferiore rispetto alla sua controparte naturale".

Risolvere questo problema, il team ha ridisegnato la sequenza della seta introducendo sequenze amiloidi che hanno un'elevata tendenza a formare nanocristalli β. Hanno creato diverse proteine ​​amiloidi polimeriche utilizzando tre sequenze amiloidi ben studiate come rappresentanti. Le proteine ​​risultanti avevano sequenze di amminoacidi meno ripetitive rispetto alla seta di ragno, rendendoli più facili da produrre da batteri ingegnerizzati. In definitiva, i batteri hanno prodotto una proteina amiloide polimerica ibrida con 128 unità ripetitive. L'espressione ricombinante della proteina della seta di ragno con unità ripetitive simili si è dimostrata difficile.

Più lunga è la proteina, più forte e resistente è la fibra risultante. Le proteine ​​a 128 ripetizioni hanno prodotto una fibra con forza gigapascal (una misura di quanta forza è necessaria per rompere una fibra di diametro fisso), che è più forte dell'acciaio comune. La tenacità delle fibre (una misura di quanta energia è necessaria per rompere una fibra) è superiore a quella del Kevlar e di tutte le precedenti fibre di seta ricombinanti. La sua forza e tenacità sono persino superiori ad alcune fibre naturali di seta di ragno riportate.

In collaborazione con Young-Shin Jun, professore presso il Dipartimento di Energia, Ingegneria ambientale e chimica, e il suo dottorato di ricerca studente Yaguang Zhu, il team ha confermato che le elevate proprietà meccaniche delle fibre amiloidi polimeriche derivano effettivamente dalla maggiore quantità di nanocristalli β.

Queste nuove proteine ​​e le fibre risultanti non sono la fine della storia delle fibre sintetiche ad alte prestazioni nel laboratorio Zhang. Sono solo all'inizio. "Questo dimostra che possiamo ingegnerizzare la biologia per produrre materiali che battono il miglior materiale in natura, " disse Zhang.