A seda de aranha de alongamento torna -a mais forte alinhando as cadeias de proteínas

Quando as aranhas giram suas teias, elas usam as patas traseiras para puxar fios de seda de seus spinnerets. Essa ação de puxar não apenas ajuda a Spider a liberar a seda, é também um passo essential para fortalecer as fibras de seda para uma rede mais durável.

Em um novo estudo, os pesquisadores da Northwestern College descobriram por que o papel do alongamento é tão importante. Simulando seda de aranha em um Modelo Computacionala equipe descobriu o processo de alongamento alinhado proteína Correntes dentro das fibras e aumentam o número de ligações entre essas cadeias. Ambos os fatores levam a fibras mais fortes e mais duras.

A equipe então validou essas previsões computacionais por meio de experimentos de laboratório usando seda de aranha projetada. Essas idéias podem ajudar os pesquisadores a projetar proteínas inspiradas em seda e processos de fiação para várias aplicações, incluindo suturas fortes e biodegradáveis ​​e armaduras corporais difíceis e difíceis e à prova de explosão.

O estudo aparece em Avanços científicos.

“Os pesquisadores já sabiam que esse alongamento, ou desenho, é necessário para fazer fibras realmente fortes”, disse o Sinan Keten, do Northwestern, o autor sênior do estudo. “Mas ninguém sabia necessariamente o porquê. Com o nosso Método computacionalconseguimos investigar o que está acontecendo na nanoescala para obter insights que não podem ser vistos experimentalmente. Poderíamos examinar como o desenho se relaciona com as propriedades mecânicas da seda “.

“As aranhas realizam o processo de desenho naturalmente”, disse o pesquisador da Northwestern, Jacob Graham, o primeiro autor do estudo. “Quando eles giram seda para fora da glândula de seda, as aranhas usam seus pernas traseiras Para pegar a fibra e puxá -la para fora. Isso estica a fibra enquanto ela está sendo formada. Torna a fibra muito forte e muito elástica. Descobrimos que você pode modificar as propriedades mecânicas da fibra simplesmente modificando a quantidade de alongamento “.

Especialista em materiais bioinspiros, Keten é o professor de engenharia de Jerome B. Cohen, professor e presidente associado de engenharia mecânica e professor de engenharia civil e ambiental da Northwestern McCormick College of Engineering. Graham é um Ph.D. Aluno do grupo de pesquisa de Keten.

Mais forte que aço, mais resistente que Kevlar

Os pesquisadores há muito se interessam por seda de aranha por causa de suas propriedades notáveis. É mais forte que o aço, mais resistente que Kevlar e elástico como borracha. Mas as aranhas agrícolas para sua seda pure são caras, intensivas em energia e difíceis. Então, os cientistas querem recriar materiais de seda no laboratório.

“A seda de aranha é a fibra orgânica mais forte”, disse Graham. “Ele também tem a vantagem de ser biodegradável. Portanto, é um materials splendid para aplicações médicas. Pode ser usado para suturas cirúrgicas e géis adesivos para o encerrador de feridas, porque naturalmente se degradaria inofensivamente no corpo”.

O co-autor do estudo Fuzhong Zhang, o professor de Francis F. Ahmann na Universidade de Washington (Washu) em St. Louis, está engenharia micróbios para produzir materiais de seda de aranha há vários anos. Ao extrudir proteínas de seda de aranha projetada e depois esticar -as manualmente, a equipe desenvolveu fibras artificiais semelhantes aos threads Do tecelão dourado da Orbe de seda, uma grande aranha com uma rede espetacularmente forte.

Simulando a extensão

Apesar de desenvolver essa “receita” para seda de aranha, os pesquisadores ainda não entendem completamente como o processo de giro muda a estrutura e a força da fibra. Para enfrentar essa pergunta aberta, Keten e Graham desenvolveram um modelo computacional para simular a dinâmica molecular na seda synthetic de Zhang.

Através dessas simulações, a equipe do Noroeste explorou como o alongamento afeta o arranjo das proteínas dentro das fibras. Especificamente, eles analisaram como o alongamento muda a ordem das proteínas, a conexão de proteínas entre si e o movimento de moléculas dentro das fibras.

Keten e Graham descobriram que o alongamento fez com que as proteínas se alinhassem, o que aumentou a força geral da fibra. Eles também descobriram que o alongamento aumentou o número de ligações de hidrogênio, que agem como pontes entre as cadeias de proteínas para compensar a fibra. O aumento das ligações de hidrogênio contribui para a força, resistência e elasticidade gerais da fibra, descobriram os pesquisadores.

“Quando uma fibra é extrudada, suas propriedades mecânicas são realmente bastante fracas”, disse Graham. “Mas quando se estende até seis vezes o seu comprimento inicial, fica muito forte”.

Validação experimental

Para validar suas descobertas computacionais, a equipe usou técnicas de espectroscopia para examinar como as cadeias de proteínas se estendiam e alinhadas em fibras reais da equipe Washu. Eles também usaram testes de tração para ver quanto esticar as fibras podiam tolerar antes de quebrar. Os resultados experimentais concordaram com as previsões da simulação.

“Se você não esticar o materials, tem esses globos esféricos de proteínas”, disse Graham. “Mas o alongamento transforma esses globs em uma rede interconectada. As cadeias de proteínas se empilham umas sobre as outras, e a rede se torna cada vez mais interconectada. As proteínas embaçadas têm mais potencial para se desvendar e se estender ainda mais antes da quebra das fibras, mas as proteínas inicialmente estendidas tornam as fibras menos extensíveis que exigem mais força para quebrar.”

Embora Graham achasse que as aranhas eram apenas assustadoras, ele agora vê seu potencial para ajudar a resolver problemas reais. Ele observa que projetou aranha seda Fornece uma alternativa mais forte e biodegradável a outros materiais sintéticos, que são principalmente plásticos derivados de petróleo.

“Eu definitivamente olho para aranhas sob uma nova luz”, disse Graham. “Eu costumava pensar que eles eram incômodos. Agora, eu os vejo como uma fonte de fascínio”.