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Tela de araña: los secretos de su resistencia finalmente revelados

planeta Tela de araña: los secretos de su resistencia finalmente revelados

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Anonim

La seda de araña tiene cualidades excepcionales que los científicos quisieran reproducir. Antes de eso, uno debe entender el mecanismo que rige su formación. Y un equipo japonés parece haber dado un paso más en esta dirección.

La seda de araña extremadamente resistente y, al mismo tiempo, sorprendentemente flexible, es tan interesante como interesante para los investigadores. Porque tal seda, producida a gran escala, podría encontrar muchas aplicaciones. Todavía es necesario comprender los mecanismos de su formación. Y eso es lo que los científicos de Riken, un instituto de investigación japonés, creen haber hecho.

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Debe recordarse que el hilo de arrastre producido por las arañas está compuesto, casi dos tercios, de filamentos proteináceos, fibroides, formados en particular por una pila de láminas beta. Estos son precisamente los folletos que dan a la resistencia a la seda araña fuera de lo común. Los científicos se han preguntado sobre su entrenamiento.

El estudio de investigadores japoneses revela dos poblaciones estructurales principales. En negro, las hélices de poliprolina tipo II que parecen ser los precursores ( forma prefibrilar )de las fibras de seda. Sometidos a cambios en su entorno bioquímico ( deshidratación = deshidratación, fuerzas de cizallamiento = fuerzas de corte, flujo extensional ), generan las fibras de seda de araña que conocemos. © Nur Alia Oktaviani, RIKEN

De la fase soluble a las hojas beta

Gracias a la ayuda de métodos avanzados, estos investigadores japoneses lograron analizar las proteínas básicas de estas hojas beta, en su fase soluble. Descubrieron, entre los elementos terminales de estas proteínas ya caracterizadas en otros lugares, esencialmente dos tipos de patrones recurrentes. Uno de ellos, las hélices de poliprolíneo tipo II, parece desempeñar un papel fundamental.

Estas hélices, de hecho, podrían formar una estructura rígida que luego puede convertirse rápidamente en una hoja beta. Todo en respuesta a los cambios que ocurren en el entorno bioquímico (deshidratación, etc.). Y, contrariamente a lo que sospechaban los investigadores, el HP promedio no parece afectar la formación de estas hojas beta.

Para saber más

¿Por qué la seda de araña es tan resistente?

La seda de araña extrae su elasticidad y fuerza de su composición peculiar y compleja. Hoy, los investigadores parecen haber traspasado sus secretos y ahora tienen las claves para recrear artificialmente una resistencia similar.

Artículo de Claire Peltier publicado el 03/03/2011

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Sólido como el acero, más fuerte que la fibra de aramida (mejor conocida bajo la marca comercial Kevlar) para una densidad más baja que el algodón o el leonlon. Este sorprendente material existe, y no es otro que seda de araña. En una estrella, cada cable puede absorber grandes cantidades de energía sin romperse, como durante el impacto de un insecto volador.

Todas estas cualidades únicas han soñado desde hace mucho tiempo a los científicos, a quienes les gustaría recrear estas propiedades artificialmente para hacer que los objetos sean muy resistentes. Pero incluso hoy en día, las fibras artificiales no alcanzan el nivel cualitativo de las fibras naturales, y los arácnidos utilizados para este fin se destruyen. Por lo tanto, es necesario comprender mejor el origen de las increíbles propiedades de spider lasoie, un secreto finalmente descubierto por los biofísicos del Instituto de Estudios Teóricos con sede en Heidelberg, Alemania.

Seda: una mezcla de dos péptidos

Al igual que el edredón de seda, la fibra distorsionada consiste en una sutil mezcla de dos componentes: el cristalino y el otro. El elemento cristalino, que representa aproximadamente del 10 al 25% de la fibra, se forma a partir del ensamblaje de pequeños péptidos de 6 a 10 aminoácidos que contienen alanina o alanina y repeticiones de deglicina. Estos péptidos están organizados en cristales de 2 a 5 nanómetros en el lateral, gracias a los enlaces de hidrógeno entre diferentes capas de aminoácidos superpuestas (que forman la estructura denominada hoja β).

La seda de araña consiste en componentes cristalinos que están altamente organizados (rosa) y amorfos, más desordenados (azul). © Biophysical Journal

A diferencia de su acólito, el componente amorfo no consiste en una red de moléculas organizadas. Los péptidos que lo constituyen son más largos y más ricos en aminoácidos glicina, y su apilamiento parece aleatorio. Si el componente amorfo es necesario para la elasticidad de lasoie, y asegura la distribución de la tensión a lo largo del cable, los cristales, a su vez, hacen que la estructura sea sólida.

Dos modelos para entender el origen de la resistencia

Para comprender mejor el papel y las interacciones entre los dos tipos de material, los investigadores utilizaron dos herramientas de modelado en dos escalas diferentes. El primero es la simulación de dinámica molecular, que permite modelar el movimiento de un grupo de átomos a lo largo del tiempo. Conociendo las secuencias exactas de las proteínas involucradas en los dos componentes de la seda de la diadema ( Araneus diadematus )y las interacciones respectivas de cada uno de los 300, 000 átomos tomados en cuenta, un cálculo matemático basado en algoritmos puede imaginarlos en acción.

Además de la escala atómica, se utilizó un segundo método de modelado (método de elementos finitos), esta vez centrándose en la escala global del hilo de seda. Se usa comúnmente para representar idealmente objetos en forma de malla, donde cada malla tiene parámetros particulares y conocidos. Concretamente, la resistencia de un automóvil a un choque se puede modelar de esta forma, gracias a los cálculos que permiten observar la reordenación de la malla.

Este enfoque dual, aplicado al modelado de diferentes arquitecturas de fibra de seda, ha permitido a los investigadores demostrar que la mejor resistencia se obtiene cuando los componentes cristalinos y amorfos se suceden en forma de discos apilados, en lugar de cuando asociar al azar. Estos resultados, publicados en la revista Biophysical Journal, deberían ayudar a recrear artificialmente este material único que continúa fascinando.

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Enlaces externos

Comunicado de prensa de Riken

El artículo científico (en inglés)

El artículo original (en inglés) en la revista Biophysical Journal

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