Fai clic sulla sostanza chimica utilizzata per tessere la seta di ragno personalizzabile

La chimica del clic trasforma la seta di ragno prodotta dai batteri in una meraviglia biomedica, promettendo innovazioni nel campo delle fibre ottiche, della guarigione delle ferite e della rigenerazione dei tessuti.

Per secoli, i coltivatori di seta furono re, estraendo gli ambiti fili dai bachi da seta, rendendoli l’invidia del mondo antico. Nei tempi moderni, la seta di ragno è diventata un materiale da invidiare per le sue straordinarie proprietà fisiche: una straordinaria combinazione di forza ed elasticità.

Sfortunatamente, è improbabile che la produzione su larga scala della seta di ragno simile a quella degli storici allevamenti di bachi da seta venga replicata in tempi brevi. “Non penso che la produzione di massa della seta di ragno sia realistica”, ha spiegato Fei Sun, ricercatore presso l’Università di Scienza e Tecnologia di Hong Kong. “Penso che la scalabilità sia ancora un grosso problema.”

Secondo lui, allevare ragni nelle fattorie non è realistico a causa della natura aggressiva e cannibalistica dei ragni. Tuttavia, i progressi nella biologia sintetica stanno consentendo a ricercatori come Sun di adattare la seta di ragno per usi biomedici che non richiedono una produzione su larga scala.

In carta Pubblicato in Materiali funzionali avanzatiSun e colleghi descrivono un nuovo metodo per produrre proteine ​​della seta di ragno nei batteri. Non solo il loro processo è efficiente, ma consente anche di infondere nei fili una varietà di molecole diverse, che migliorano le caratteristiche naturali della seta di ragno o addirittura interagiscono con i tessuti viventi.

Una rete di nuove tecnologie

Per creare la “seta di ragno personalizzabile”, il team ha combinato insieme tecniche genetiche e chimiche. Il primo è il DNA ricombinante, una tecnologia biologica sintetica che consente ai ricercatori di isolare, manipolare e persino combinare geni specifici con il genoma di un’altra specie.

Usando questa tecnica, Sun può aggiungere i geni della seta di ragno ai batteri, Escherichia coliConvertire le cellule batteriche in fabbriche di proteine ​​della seta di ragno.

Successivamente, il team ha utilizzato un metodo relativamente nuovo nel campo della chimica sintetica chiamato geneticamente codificato Fare clic su Chimica. In breve, questa è una tecnica per collegare le molecole proteiche (o “fare clic” insieme) in modo efficiente come i mattoncini Lego.

Il team ha utilizzato questo metodo per aggiungere geneticamente un tag alla proteina della seta del ragno, che funge da punto di attacco per altre molecole di interesse contrassegnate con la corrispondente molecola catcher. Ciò trasforma la seta di ragno naturale in un’impalcatura che può essere ricoperta con tutti i tipi di molecole benefiche.

Fili funzionali

In due esperimenti separati, il team è riuscito a dimostrare la potenza di questa nuova tecnologia. Innanzitutto, hanno rivestito i fili di seta di ragno con un enzima chiamato silicone. Le spugne marine utilizzano questo enzima per convertire l’acido silicico in silice, una struttura simile al vetro che le spugne utilizzano nei loro corpi.

Il risultato è stato un ibrido organico e inorganico di proteine ​​della seta di ragno rivestite con uno strato di silice simile al vetro. Ciò non solo ha dimostrato che il team era in grado di modificare le proteine ​​della seta, ma secondo Sun, “potremmo essere in grado di trasformarle in fibre ottiche”.

Per dimostrare che le proteine ​​della seta potrebbero avere usi biomedici, il team ha poi rivestito le proteine ​​della seta di ragno con molecole note come ligandi cellulari. Come suggerisce il nome, queste molecole si attaccano alle superfici cellulari e vengono utilizzate per vari scopi nel corpo, come la guarigione delle ferite e la crescita dei tessuti.

Le proteine ​​della seta di ragno rivestite con uno dei due diversi ligandi sono state utilizzate come piattaforme di coltura cellulare e, dopo 10 giorni di crescita, la seta rivestita con il ligando era ricoperta da più cellule rispetto alla seta non rivestita. Non solo, ma le cellule sulla seta rivestita di ligando crescevano in modo più allungato, in modo simile a come le cellule reali crescono e funzionano in tessuti come il sistema vascolare, dimostrando che queste impalcature di seta potrebbero essere utilizzate per la guarigione delle ferite o la ricrescita dei tessuti. .

Possibilità infinite

Secondo Sun, questa è una promettente prova di concetto. Le proteine ​​della seta di ragno sono già desiderabili per la loro forza, le piccole dimensioni e la capacità di resistere alla degradazione da parte degli enzimi e delle proteine ​​del corpo. Inoltre, molti studi sostengono che la seta non stimola il sistema immunitario.

Ora, con un modo efficiente per produrre la seta e trasformarla in impalcature personalizzabili, Sun ritiene che i potenziali usi siano limitati solo dai tipi di molecole che possono essere attaccate alla seta. Fortunatamente, a questo scopo è disponibile anche un’intelligenza artificiale avanzata, ha affermato Sun.

Potenti programmi di intelligenza artificiale come AlphaFold, che prevedono come le molecole e le proteine ​​si piegheranno, funzioneranno e si legheranno, consentono a Sun di visualizzare come si comporterà una proteina desiderata sulla seta e il modo migliore per applicarla. Ora, invece di tirare ad indovinare e sperimentare per vedere se funziona, possono pensare al risultato desiderato e poi vedere quali proteine ​​potrebbero funzionare in un dato scenario.

Sun e i suoi collaboratori stanno ora studiando usi specifici delle proteine ​​funzionali della seta, come una piattaforma per la ricrescita neuronale o il trapianto di organoidi. Per Sun, questi sviluppi sono guidati dalla nostra capacità di guardare alla natura per trovare ispirazione e soluzioni.

“I ricercatori vogliono sfruttare i sistemi biologici per produrre materiali che possano paragonarsi, o addirittura superare, ciò che facevano i nostri antenati migliaia di anni fa”, ha detto.

Riferimento: Angela Ruhao Wu, Fei Sun, et al. La seta di ragno multifunzionale è progettata utilizzando la chimica dei clic codificata geneticamenteMateriali funzionali avanzati (2023) DOI: 10.1002/adfm.202304143

Credito immagine in primo piano: Nathan Dumlao su Unsplash