Spider-bacteria: come la seta dei ragni viene prodotta da batteri ingegnerizzati

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In natura siamo circondati da un’infinità di materiali ​che mostrano proprietà sorprendenti, capaci di superare anche i migliori prodotti sintetici.

La ragnatele ad esempio, rappresentano dei minuscoli capolavori ingegneristici. Osservando, studiando e traendo ispirazione da queste meravigliose opere di tessitura, è stato possibile sviluppare progetti rivoluzionari e concepire materiali senza precedenti, con applicazioni in ogni settore.

La struttura delle ragnatele

La seta dei ragni è costituita da una proteina fibrosa che mostra forza e solidità impareggiabili. Molte di queste proprietà sono spiegate dalle caratteristiche delle proteine e dalle interazioni chimiche che determinano la particolare struttura amorfo-cristallina (fig. 1).

D-alanina e glicina, sono le principali componenti della proteina fibrosa della seta. Le forze tra i blocchi di alanina e quelli di glicina contribuiscono alla sua resistenza, dal momento che questi due piccoli amminoacidi possono interagire per formare pacchetti stretti. Inoltre, la struttura secondaria consiste di regioni amorfe orientate, regioni cristalline e regioni completamente amorfe. Il dominio amorfo è tenuto insieme da legami idrogeno e conferisce elasticità alla ragnatela.

Figura 1 – Struttura e caratteristiche di un filamento di seta di ragno.

Resistenza ed elasticità

Come anticipato nel precedente paragrafo, la seta dei ragni è un materiale resistentissimo grazie alla sua straordinaria struttura molecolare, composta da migliaia di nanofibrille proteiche. Ciascuna nanofibrilla è posta l’una accanto all’altra fino a formare un unico filamento; la sottilissima fibra che viene a formarsi risulta centinaia di migliaia di volte più sottile di un capello umano (fig. 2). È proprio questa struttura peculiare a determinare l’iconica resistenza del materiale. Uno strato di ragnatela è infatti circa cinque volte più solido di uno filo di acciaio dello stesso diametro. Inoltre, un singolo filamento di seta può essere stirato fino al 30-40% della sua lunghezza senza rompersi.

Figura 2 – Sezione trasversale di un filamento di seta.

Bio-produzione di proteine ​​ad alte prestazioni

Se prodotto in quantità sufficienti, la seta di ragno potrebbe essere utilizzata per una varietà di applicazioni che vanno dalle sottilissime suture chirurgiche ad indumenti resistenti ai proiettili. Tuttavia, la seta non è affatto facile da ottenere in laboratorio: i ragni ne producono quantità esigue e alcune specie diventano cannibali se allevate insieme. Per ovviare a questo problema, gli scienziati hanno provato a ingegnerizzare batteri, lieviti, piante e persino capre per produrre ragnatele.

Criticità riscontrate

Dal punto di vista genetico, le limitazioni risiedono nel fatto che le proteine ​​della seta del ragno sono codificate da sequenze di DNA molto lunghe e altamente ripetitive. I ragni si sono evoluti in modo da mantenere tali sequenze nel loro genoma, ma quando quest’ultimo viene inserito in altri organismi, i geni sono molto instabili e spesso vengono tagliati o alterati dal meccanismo cellulare dell’ospite.

La sequenza del DNA è stata modellata sulla base della sequenza dei ragni che è responsabile della creazione della proteina della seta. In teoria, più sono le ripetizioni della sequenza, più grande è la proteina risultante. Malgrado ciò, quando la sequenza del DNA raggiunge una certa dimensione, i batteri non sono capaci di gestirla e finiscono per tagliarla in pezzi più piccoli.

Innovazioni

Per aggirare questo ostacolo, un team di ricercatori dell’Università di Washington ha provato ad aggiungere una breve sequenza genetica al DNA che promuove una reazione chimica tra le proteine risultanti, fondendole insieme per formare una proteina ancora più grande. Per riuscire a fare ciò, Zhang e collaboratori hanno prima tagliato tali sequenze in modo da renderle più facilmente manipolabili dalla cellula batterica; ciascuna di queste sequenze tagliate è stata poi affiancata a regioni chiamate “split intein”, delle sequenze proteiche naturali con funzione collante. In questo modo dopo aver estratto e purificato le differenti proteine, ottenute nella cellula batterica, queste sono state miscelate, in modo da formare una fibra unica che mostra le stesse caratteristiche di quella naturale.

Risultati ottenuti

Finora, i ricercatori sono stati in grado di utilizzare la tecnica per ottenere fino a 2 grammi di seta per litro di coltura batterica. Il loro nuovo obiettivo adesso è quello di realizzare fibre di seta biosintetiche in sostituzione di una miriade di materiali a base di petrolio utilizzate nell’industria. Inoltre, sulla base di questo principio, potrebbe essere possibile in futuro creare nuove proteine modificando il DNA della seta di ragno e inserendo sequenze specifiche nei batteri.

Applicazioni extra-terrestri

Attualmente, la NASA è uno dei maggiori finanziatori delle ricerche rivolte alla bioproduzione. L’Agenzia sta sviluppando tecnologie per convertire l’anidride carbonica in carboidrati con lo scopo di alimentare i batteri ed avere a disposizione una micro-sartoria direttamente nello spazio. I ricercatori stanno lavorando per semplificare il processo in modo che la reazione di unione delle proteine ​​possa avvenire direttamente all’interno delle cellule batteriche. Ciò migliorerebbe l’efficienza e la potenziale automazione del sistema, in quanto non sarebbe più necessario purificare i due pezzi della proteina per poi fonderli insieme. Un ultimo obiettivo dei ricercatori è quello di rendere più economico e semplice il processo di produzione.

Riferimenti bibliografici

  • Bowen, Christopher H., et al. “Recombinant spidroins fully replicate primary mechanical properties of natural spider silk.” Biomacromolecules 19.9 (2018): 3853-3860.
  • Bittencourt, Daniela Matias de C. “Spider silks and their biotechnological applications.” Short Views on Insect Genomics and Proteomics. Springer, Cham, 2016. 211-227.
Sitografia

Informazioni su Ilaria Vaccarelli 7 Articoli
Sono dottoressa in Scienze e Tecnologie per l'Ambiente e speleologa. Amo girovagare sopra, sotto e dentro le montagne, ma il mio più grande interesse riguarda la microbiologia degli ambienti sotterranei.

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