Universidad de la Amazonia

Trabajo de investigación sobre la tela de araña realizado por el estudiante de Química del I semestre ALEXANDER PUENTES PARRA para la asignatura de Biología General

¡SEDOSA, ELÁSTICA Y MÁS FUERTE QUE EL ACERO!

¿Podría la seda de araña ser la respuesta a retos militares y de temas de salud? (Giovanna Cicognani, del Institut Laue-Langevin , y Monserrat Capellas, del European Synchrotron Radiation Facility , Francia,) investigan el estudio de (Christian Riekel y Tilo Seydel’) acerca de este extraordinario material.

La biomimética es un tema candente en la ciencia moderna, pero la idea de que los humanos puedan emplear diseños evolutivos no es nada nuevo. Hace más de 400 años, Leonardo da Vinci estudió los pájaros para inspirarse en sus máquinas voladoras. En la actualidad, científicos franceses están usando técnicas punteras para ‘desenredar’ los secretos de un material que ha existido desde hace más de 150 millones de años.

Desde hace siglos, hemos envidiado a las arañas por su habilidad para crear elegantes telas. Aunque frágiles en apariencia, estas

redes pueden parar a insectos en pleno vuelo y son lo suficientemente robustas para retener la presa sin que los hilos se rompan. Los hilos que componen estas notables estructuras son biopolímeros. Sin embargo, a diferencia de fibras poliméricas hechas por el hombre, como el Kevlar, que se obtiene haciendo pasar una solución caliente y ácida de polímero, bajo presión, a través de unos pequeños orificios, hasta un ‘baño de coagulación’ seguido de etapas de lavado, retirado y secado, la seda se produce a temperatura ambiente y procede de una disolución acuosa. La capacidad de la tela de araña para atrapar insectos se debe a su combinación única de propiedades mecánicas: fuerza, extensibilidad (30 %) y, lo que es más importante, su resistencia a la rotura. La seda de araña puede ser seis veces más fuerte que el acero (en una proporción de peso equivalente), pero es su resistencia la que la hace tan especial, ya que la permite absorber una gran cantidad de energía sin romperse. Los materiales hechos por el hombre, como el Kevlar, son fuertes, pero carecen de esta particularidad. Y lo que es más, a diferencia del Kevlar, la seda de araña es biodegradable y reciclable: cuando reparan las redes, las arañas suelen comerse las partes dañadas de la red, absorbiendo los nutrientes.

Estas características especiales hacen que la seda de araña sea de interés para diversos campos de investigación. Un polímero basado en la tela de araña podría ser usado en medicina, como sutura no tóxica de alta resistencia, o en la reparación de los ligamentos, puesto que la fibra no sólo no sufre fatiga cuando es estirada frecuentemente, sino que también puede resistir frecuentes impactos y gran presión. El sector militar también está investigando este material debido a que su capacidad para disipar energía podría convertirle en idóneo para el armamento ligero.

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Pero antes de que podamos producir y usar seda de araña artificial, necesitamos entender qué es lo que le confiere sus propiedades mecánicas únicas. Experimentos recientes del (Institut Laue-Langevin (ILL) y la European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) de Grenoble, Francia), han usado el bombardeo de neutrones y la radiación sincrotón para investigar las propiedades microscópicas de la seda de araña. Esto ha permitido a los científicos hacerse una nueva idea acerca de la estructura de la seda, la cual es, al fin y al cabo, la que le confiere sus propiedades mecánicas. Las dos técnicas, bombardeo de neutrones y radiación sincrotón, se complementan mutuamente. Mientras que la radiación sincrotón, una clase de radiación de rayos-X de muy alta energía, (http://www.scienceinschool.org/2007/issue4/spidersilk/spanish), permite que una sola fibra de seda pueda ser estudiada cuando se extrae de una araña viva, el bombardeo con neutrones nos permite identificar diferencias en la organización de las proteínas y su accesibilidad al agua, algo que tiene gran influencia en sus propiedades mecánicas. Los neutrones, a diferencia de la radiación sincrotón, se bombardean o dispersan con agua normal que contiene hidrógeno y agua pesada que contiene deuterio. Exponiendo una fibra de seda al agua pesada, podemos determinar, dependiendo de la manera en que disperse los neutrones bombardeados, que átomos de hidrógeno han sido sustituidos por átomos de deuterio. Esto proporciona como resultado información acerca del contexto químico en el que se encuentran los átomos.

Los resultados, obtenidos por un equipo conjunto del ESRF y el ILL, en colaboración con el Departamento de Zoología de la Universidad de Oxford, Reino Unido, mostraron que la seda de araña es un material jerárquicamente organizado. Su estructura biopolimérica está formada por proteínas compuestas casi en su totalidad por unidades repetitivas de aminoácidos tales como la alanina y la glicina. Las unidades de alanina forman dominios cristalinos, que son separados por dominios no cristalinos ricos en glicina.

Estos dominios cristalinos y no cristalinos están organizadas en nanofibras, que se disponen inmersas en una matriz amorfa de proteína. Los científicos debaten todavía acerca de cómo esta estructura proporciona estas increíbles propiedades mecánicas a la seda de araña: ¿es debido a ‘muelles moleculares’ en la matriz proteica amorfa o a las propiedades de una red amorfa reforzada por dominios cristalinos (ver diagrama) . http://www.scienceinschool.org/2007/issue4/spidersilk/spanish

Los científicos han sido capaces de producir artificialmente las proteínas de la seda de araña desde hace algún tiempo, y ahora entendemos con mayor detalle, aunque todavía de manera incompleta, cómo están organizadas estas proteínas para conferir a la seda arácnida su impresionante dureza. No

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obstante, es necesario trabajar más en profundidad para comprender – y replicar – el mecanismo de agregación de proteínas y formación de fibras. En la araña, las proteínas de la seda se sintetizan y secretan en una glándula, en forma de una especie de cristal líquido viscoso. Este líquido es empujado a través de un largo conducto hacia una espita, en el extremo de la hilera de la araña. En su camino al exterior, un proceso de espesamiento y el cambio del pH, alteran el líquido viscoso, dando como resultado la agregación de las proteínas de la seda. La araña es incluso capaz de reabsorber y reciclar el agua durante el proceso de espesamiento. Otros factores, tales como el movimiento del cuerpo de la araña, juegan también un papel importante en el proceso de hilado.

Cómo interactúan exactamente estos factores y cómo pueden ser imitados para producir seda de araña artificial en el laboratorio, es una cuestión que continúa ocupando a los científicos. En el ESRF, ILL y otros institutos de todo el mundo, el estudio de la biomimética continúa como una alternativa artificial a uno de los más extraordinarios materiales naturales – y con ello, una nueva generación de materiales más baratos y ecológicos.

(Reseña), Este artículo puede ser usado en lecciones de química, biología y física, para alumnos de entre 11 y 17 años. En particular, es aplicable a consideraciones de cristalografía, estructuras de redes y el papel del pH en la agrupación de proteínas.(Eric Demoncheaux, UK)

Referencias en la web

Para más detalles sobre cómo se usa la radiación sincrotón en la investigación, ver:(Capellas M, Cornuéjols D (2006) Shipwreck: science to the rescue! Science in School 1: 26-29.)

(http://www.scienceinschool.org/2006/issue1/maryrose)

(Recursos ESRF (2006) Nature inspires technology . ESRF Newsletter, Issue 43, June.) http://www.esrf.eu/UserAndScience/Publications/Newsletter

(Forbes P (2005) The Gecko’s Foot. London, UK: Fourth Estate)

(Sapede D (2006) Contributions à la compréhension de la structure et de la dynamique hiérarchiques du fil de traîne de l’araignée . PhD thesis. Grenoble, France: Université Joseph Fourier.) (http://tel.ccsd.cnrs.fr/docs/00/06/52/69/PDF/daniel_sapede_thesis.pdf)

(Vincent JFV (2007) Is traditional engineering the right system with which to manipulate our world? Science in School 4: 56-60.) http://www.scienceinschool.org/2007/issue4/biomimetics

Las telas de araña son estructuras altamenteespecializadas resultado del proceso de evolución de las especies que las producen. Su función es detener e inmovilizar a las presas hasta ser capturadas por las arañas. Para ello, deben ser capaces de convertir la energía cinética de las presas en energía de deformación de la tela y disiparla posteriormente. Las arañas las construyen empleando fibras de seda, constituidas por proteínas.

Hay una gran variedad de tipos de telas diferentes y en este trabajo se estudian las bidimensionales. Las especies que construyen telas bidimensionales utilizan dos tipos de fibras los hilos víscidos, que rellenan la tela en forma de espiral y son adherentes y muy flexibles, y los hilos MA, que constituyen los radios, el marco y loshilos de amarre y que son más rígidos.

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Los hilos MA toman su nombre de la lándulaampollácea mayor (Mayor Ampullate) que los produce. A ellos se han dedicado casi todos los esfuerzos en diversos laboratorios en los últimos años, por sus excelentes propiedades mecánicas y por el interés de servir como guía en el diseño y producción de materiales proteicos mediante ingeniería genética.

(J. Pérez-Rigueiro, M. Elices, M.A. Martínez, D. Carnero,G.V. Guinea. Resistencia mecánica de la seda víscidade araña. Polymer 44, pp. 5785-5788. 2003.)

LA QUÍMICA DE LAS TELAS DE ARAÑA…O LAS VENTAJAS DE SER ARAÑA

En sí, las telas de araña tienen una particularidad que llama la atención: a pesar de ser dúctiles y estirarse notablemente, las mismas presentan una solidez e integridad que supera la de otros materiales naturales. Considerando que al añadir ductilidad los materiales pierden dureza, el caso de la tela de araña resulta profundamente enigmático para la ciencia. Aunque frágiles en apariencia, estas redes pueden parar a insectos en pleno vuelo y son lo suficientemente robustas para retener la presa sin que los hilos se rompan. Los hilos que componen estas notables estructuras son biopolímeros.

La capacidad de la tela de araña para atrapar insectos se debe a su combinación única de propiedades mecánicas: fuerza, extensibilidad (30 %) y, lo que es más importante, su resistencia a la rotura. La seda de araña puede ser seis veces más fuerte que el acero (en una proporción de peso equivalente), pero es su resistencia la que la hace tan especial, ya que la permite absorber una gran cantidad de energía sin romperse La seda de araña es biodegradable y reciclable: cuando reparan las redes, las arañas suelen comerse las partes dañadas de la red, absorbiendo los nutrientes. Es un material jerárquicamente organizado.

Su estructura biopolimérica está formada por proteínas compuestas casi en su totalidad por unidades repetitivas de aminoácidos tales como la alanina y la glicina. Las unidades de alanina forman dominios cristalinos, que son separados por dominios no cristalinos ricos en glicina. Estos dominios cristalinos y no cristalinos están organizados en nano fibras, que se disponen inmersas en una matriz amorfa de proteína. Los científicos debaten todavía acerca de cómo esta estructura proporciona estas increíbles propiedades mecánicas a la seda de araña: ¿es debido a ‘muelles moleculares’ en la matriz proteica amorfa o a las propiedades de una red amorfa reforzada por dominios cristalinos

(Guinea, G.V., Elices, M., Pérez-Rigueiro, J., Plaza,G.R. Self-tightening of spider silk fibers induced bymoisture. Polymer 44, pp. 5785)

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(http://www.scienceinschool.org/repository/images/issue4spidersilk1_large.jpg)

En la araña, las proteínas de la seda se sintetizan y secretan en una glándula, en forma de una especie de cristal líquido viscoso. Este líquido es empujado a través de un largo conducto hacia una espita, en el extremo de la hilera de la araña. En su camino al exterior, un proceso de espesamiento y el cambio del pH, alteran el líquido viscoso, dando como resultado la agregación de las proteínas de la seda. La araña es incluso capaz de reabsorber y reciclar el agua durante el proceso de espesamiento. Otros factores, tales como el movimiento del cuerpo de la araña, juegan también un papel importante en el proceso de hilado. La composición química varía según el entorno físico, dieta de la araña y cambios genéticos en la química de la tela. Cuando se la estira, el núcleo del filamento puede extenderse un200%, lo cual evita el rebote de la presa una vez atrapada. Las propiedades mecánicas dela seda dependen fuertemente del tamaño y dieta de la araña, temperatura del cuerpo de la araña, velocidad de hilado y composición de aminoácidos

USOS:

Algunas tribus de América del Sur las empleaban como hemostático (que puede detener una hemorragia) en las heridas. Los pescadores de las islas de la Polinesia usan el hilo de la araña Nephila como hilo de pescar. En Madagascar, los nativos capturaban las arañas Nephilay obtenían rollos de hilos que usaban para fabricar tejidos de color amarillo dorado. Algunas tribus en Nueva Guinea usan telas de araña como sombrero para protegerse de la lluvia. Un polímero basado en la tela de araña podría ser usado en medicina, como sutura no tóxica de alta resistencia, o en la reparación de los ligamentos, puesto que la fibra no sólo no sufre fatiga cuando

es estirada frecuentemente, sino que también puede resistir frecuentes impactos y gran presión. El sector militar también está investigando este material debido a que su capacidad para disipar energía podría convertirle en idóneo para el armamento ligero

(Pérez-Rigueiro J, Elices M, Llorca J, Viney C. Tensileproperties of Attacus atlas silk submerged in liquidmedia. Journal of Applied Polymer Science 82, pp.2245–51. 2001.)

Un hilo común de la seda de la tela de araña es capaz de extenderse hasta 70 kilómetros sin quebrarse sobre su propio peso, y se puede estirar hasta 30 ó 40% más allá de su longitud inicial, sin romperse, mientras que el nylon resiste un estiramiento de sólo un 20%.Se dice que la seda que produce la araña posee una resistencia tal que si fuera posible construir una tela con el grosor de una lapicera, sería capaz de detener un avión Boeing 747 en pleno vuelo. El hilo de la tela de araña, a pesar de no llegar a los módulos de elasticidad extremadamente altos de algunas fibras sintéticas,como el Kevlar posee un alto alargamiento deruptura y es más fuerte bajo compresión.Kevlar o poliparafenileno tereftalamida es una poliamida sintetizada por primera vez en 1965 por la química (Stephanie Kwolek). Algunos de los usos más definidos de este material de alta fuerza extensible: Cuerdas, hilo para coser; neumáticos funcionales que funcionan desinflados; guantes contra cortes, raspones y otras lesiones; kayaks con resistencia de impacto, sin peso adicional, etc.

UN DESCUBRIMIENTO CHINO: La telaraña cambia su estructura cuando se moja. Se forman nudos donde quedan capturadas las gotas de agua. Cuando cae el rocío de madrugada, sus gotas no atraviesan ni rompen las telas tejidas por las arañas, sino que se quedan atrapadas en la estructura de seda

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creada por estos animales. La clave está en una estructura de fibras únicas que se forma después de que se moje la telaraña y que permite que el agua se quede retenida en ella. El descubrimiento podría tener aplicaciones industriales en procesos necesarios para la recolección de agua o el filtrado de aerosoles líquidos.

( Publicado en Nature 463: 640-643, 4 February 2010) Adaptado de: (http://www.materiales-sam.org.ar/sitio/revista/1_2009/TrabajoFavret.pdf )

LA ARAÑA GIGANTE QUE TEJE SEDA DE ORO

Las 'Nephila' son conocidas por ser las arañas tejedoras más grandes

Producen las telas de araña de mayor tamaño, que a menudo superan el metro

Sólo son gigantes las hembras, con patas de entre 10 y 12 centímetros

Investigadores de EEUU y de Slovenia han descubierto una nueva especie de 'Nephila' gigante, una araña tejedora de seda de oro, de África y Madagascar. Los científicos, que publican su trabajo en la revista 'PLoS ONE' , (http//:www.plosone.org/home.action), reconstruyeron la evolución del tamaño en la familia de las 'Nephilidae' para mostrar

que esta nueva especie, de media, es la más grande conocida hasta el momento.

Sólo las hembras de las Nephila son gigantes, con una longitud corporal de 3,8 centímetros y patas que se extienden entre 10 y 12 centímetros, en comparación, los machos son muy pequeños. En la actualidad se conocen más de 41.000 especies de arañas y se añaden alrededor de entre 400 y 500 nuevas especies cada año. Pero en el caso de estas especies que tejen seda dorada la última especie se descubrió en el siglo XIX.

Estas arañas son comunes en los trópicos y los subtrópicos y existen miles de especímenes en los museos de historia natural. Los taxonomistas reconocieron en el pasado hasta 150 especies distintas de Nephila pero (Matjaz Kuntner), coautor del trabajo actual, reconoció como válidas sólo 15 especies durante su tesis doctoral. Lineo describió la primera especie de Nephila en 1767 y la última genuina fue descrita en 1879.

http://www.elmundo.es/elmundo/2009/10/20/ciencia/1256065582.html

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Para dar una respuesta a esta interrogante, científicos estadounidenses liderados por el ingeniero Steven Cranford (http://web.mit.edu/mbuehler/www/group/cranford.html) del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), han desarrollado modelos en computadora de las telarañas aéreas para entender su funcionamiento cuando son sometidos a diferentes tipos de estrés mecánico. Los resultados publicados el 2 de Febrero en Nature revelan que es el comportamiento elástico no lineal de las fibras las responsables de su resistencia y estabilidad.

Leer más: http://www.biounalm.com/2012/02/estudio-revela-las-propiedades.html#ixzz1xDjwqX72 Under Creative Commons License: Attribution Non-Commercial Share Alike

Para sus simulaciones, Cranford y sus colaboradores usaron las propiedades mecánicas de la seda de una araña muy común, la Nephila clavipes (o araña de seda dorada). Diseñaron una telaraña típica en espiral apoyado sobre ocho hilos radiales [Figura inferior b] y las sometieron a diferentes situaciones de estrés.

Leer más: http://www.biounalm.com/2012/02/estudio-revela-las-propiedades.html#ixzz1xDkH4IaP Under Creative Commons License: Attribution Non-Commercial Share Alike

Tal vez muchos de ustedes se habrán dado cuenta que las telarañas no son regulares, sino que tienen ciertas imperfecciones o huecos dentro de sus estructuras. ¿Tendrá esto alguna finalidad? Para responder la pregunta se incluyeron estas imperfecciones en sus simulaciones [figura superior c]. En las pruebas d1, d2 y d3, se quitaron secciones espirales; y en la prueba d4, se quitó una sección radial. Los investigadores observaron que se podía remover hasta el 10% de los hilos sin afectar la respuesta mecánica de la seda, es más, la capacidad de carga aumentó entre un 3 y 10% cuando se incluían estas imperfecciones.

Leer más: http://www.biounalm.com/2012/02/estudio-revela-las-propiedades.html#ixzz1xDlB2tty Under Creative Commons License: Attribution Non-Commercial Share Alike

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LA TELA DE ARAÑA YA NO TIENE SECRETOS PARA LA CIENCIA

Un grupo de investigadores de las universid -ades Complutense de Madrid (UCM), de Oslo (Noruega), y de Uppsala (Suecia) presentan esta semana en la revista Nature, (http://www.nature. com/nature/index. html) la estructura tridimensional de una de las regiones -denominada 'dominio N-Terminal'- de las proteínas que componen la seda, las espidroínas.

"El dominio N-Terminal regula el ensamblaje de las fibras de seda en el extremo de la glándula Ampulácea", explica (Cristina Casals) , catedrática de Bioquímica y Biología Molecular de la UCM y coautora del estudio.

La glándula Ampulácea mayor está situada en el extremo del abdomen del cuerpo de la araña, y en ella se acumulan en altas concentraciones las proteínas de la seda. Según avanzan a lo largo de la glándula, las largas moléculas de espidroína se organizan hasta formar un verdadero cristal líquido.

Un poco antes de llegar al extremo de la glándula, a poca distancia de la salida al exterior, se convierte bruscamente en una fibra sólida e insoluble. Hasta ahora era un misterio cómo se produce la rápida transición desde proteína soluble (mientras está dentro de la glándula secretora) a insoluble (justo antes de salir al exterior). La

regulación que ejercen los cambios de pH sobre el dominio N-terminal ofrece una respuesta.

Para realizar esta investigación los científicos han trabajado con la tela de la araña africana Euprosthenops australis. En el mismo número de Nature aparece otro trabajo basado en la seda de otra especie muy común en Europa, la araña de jardín Araneus diadematus, realizado por investigadores de la Universidad Técnica de Múnich, Universidad Bayreuth y el Instituto Max-Planck, en Alemania.

EL ALMACENAMIENTO PREVIO

Sin embargo, la situación dentro de las glándulas sericígenas es muy distinta: las proteínas de seda se hallan almacenadas en altas concentraciones, dentro de un entorno acuoso, listas para ser empleadas. Las zonas responsables de entrelazarlas no pueden aproximarse demasiado, porque si no las proteínas se agruparían de forma instantánea. Por tanto, estas moléculas deben disponer de algún tipo de configuración de almacenamiento especial.

Hasta el mismo instante en que se forma la fibra de seda sólida, todos los procesos se desarrollan en la solución acuosa. En estas condicones el método utilizado para analizarla ha sido la espectroscopia mediante resonancia magnética nuclear, con el que el equipo alemán ha conseguido desentrañar la estructura de un 'elemento de control', cuyo papel es la formación de las fibras sólidas.

Las cadenas de proteínas se almacenan con las áreas polares orientadas hacia el exterior y las partes hidrófobas de la cadena apuntando hacia el interior, con lo que se garantiza una buena solubilidad en el entorno acuoso.

El flujo en el estrecho conducto de salida de las hileras ejerce una fuerza importante. Las

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largas cadenas de proteínas se alinean en paralelo, lo que hace que las zonas responsables del entrelazado se pongan juntas. Así se forman las fibras estables de la seda de araña. http://www.elmundo.es/elmundo/2010/05/13/ciencia/1273762181.html

APLICACIÓN EN LA INDUSTRIA Y EN LA MEDICINA

Las aplicaciones potenciales de un compuesto que imite la seda de las arañas son incontables, desde su empleo como material de sutura quirúrgica reabsorbible, hasta su aprovechamiento como fibras técnicas en la industria de la automoción.

La producción biotecnológica de las fibras, que son más fuertes que el acero y más elásticas que el nylon, tiene múltiples aplicaciones no solo a nivel industrial, sino también biomédicas. Fibras similares a la seda formadas por espidroína recombinante, generan un material biocompatible de gran utilidad en cultivos celulares y medicina regenerativa.

http://www.elmundo.es/elmundo/2010/05/13/ciencia/1273762181.html

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