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seda de araña

Un ejemplar hembra de Argiope bruennichi envuelve a su presa en seda.
Verano indio de Józef Chełmoński (1875, Museo Nacional de Varsovia ) representa a una campesina con un hilo de gasa en la mano.
Capullo de araña

La seda de araña es una fibra proteica o seda tejida por arañas . Las arañas usan la seda para hacer telarañas u otras estructuras que funcionan como trampas adhesivas para atrapar presas, para enredar y sujetar a las presas antes de morderlas, para transmitir información táctil o como nidos o capullos para proteger a sus crías. Pueden utilizar la seda para suspenderse desde las alturas, flotar en el aire o alejarse de los depredadores. La mayoría de las arañas varían el grosor y la adhesividad de su seda según su uso.

En algunos casos, las arañas pueden utilizar la seda como fuente de alimento. [1] Si bien se han desarrollado métodos para recolectar seda de una araña por la fuerza, [2] recolectar seda de muchas arañas es más difícil que la de organismos que hilan seda, como los gusanos de seda .

Todas las arañas producen seda, aunque algunas no fabrican telarañas. La seda está ligada al cortejo y al apareamiento . La seda producida por las hembras proporciona un canal de transmisión de las señales vibratorias de cortejo masculinas, mientras que las redes y las dragas proporcionan un sustrato para las feromonas sexuales femeninas . Las observaciones de arañas macho produciendo seda durante las interacciones sexuales son comunes en taxones muy extendidos. La función de la seda producida por los machos en el apareamiento ha recibido pocos estudios. [3]

Propiedades

Estructural

Estructura de la seda de araña. Dentro de una fibra típica hay regiones cristalinas separadas por enlaces amorfos. Los cristales son láminas beta que se han ensamblado.

Las sedas tienen una estructura jerárquica. La estructura primaria es la secuencia de aminoácidos de sus proteínas ( espidroína ), que consiste principalmente en bloques de glicina y alanina altamente repetitivos, [4] [5] , razón por la cual las sedas a menudo se denominan copolímeros de bloques . En un nivel secundario, la alanina de cadena lateral corta se encuentra principalmente en los dominios cristalinos ( láminas beta ) de las nanofibrillas. La glicina se encuentra principalmente en la llamada matriz amorfa que consta de estructuras helicoidales y de giro beta. [5] [6] La interacción entre los segmentos cristalinos duros y las regiones semiamorfas elásticas y tensas confiere a la seda de araña sus extraordinarias propiedades. [7] [8] Se utilizan varios compuestos distintos de las proteínas para mejorar las propiedades de la fibra. La pirrolidina tiene propiedades higroscópicas que mantienen la seda húmeda y evitan la invasión de hormigas. Ocurre en alta concentración en hilos de pegamento. El hidrogenofosfato de potasio libera iones de hidrógeno en una solución acuosa, lo que da como resultado un pH de aproximadamente 4, lo que hace que la seda sea ácida y así la protege de hongos y bacterias que de otro modo digerirían la proteína. Se cree que el nitrato de potasio evita que la proteína se desnaturalice en el medio ácido. [9]

Termonia introdujo este primer modelo básico de seda en 1994. [10] Sugirió cristalitos incrustados en una matriz amorfa interconectada con enlaces de hidrógeno . Las mejoras a este modelo incluyen: se encontraron regiones semicristalinas [5] , así como un modelo de núcleo de piel fibrilar sugerido para la seda de araña, [11] posteriormente visualizado por AFM y TEM . [12] Los tamaños de la estructura nanofibrilar y las regiones cristalinas y semicristalinas fueron revelados por dispersión de neutrones . [13]

La información microestructural de las fibras y las propiedades mecánicas macroscópicas están relacionadas. [14] Las regiones ordenadas (i) se reorientan principalmente por deformación para fibras poco estiradas y (ii) la fracción de regiones ordenadas aumenta progresivamente para un mayor estiramiento de fibras.


Mecánico

Cada araña y cada tipo de seda tiene un conjunto de propiedades mecánicas optimizadas para su función biológica.

La mayoría de las sedas, en particular la seda dragalina, tienen propiedades mecánicas excepcionales. Exhiben una combinación única de alta resistencia a la tracción y extensibilidad ( ductilidad ). Esto permite que una fibra de seda absorba una gran cantidad de energía antes de romperse ( dureza , el área bajo una curva tensión-deformación).

Una ilustración de las diferencias entre tenacidad, rigidez y resistencia.

La fuerza y ​​la dureza son cantidades distintas. Peso por peso, la seda es más fuerte que el acero, pero no tanto como el Kevlar . Sin embargo, la seda de araña es más resistente que ambas.

La variabilidad de las propiedades mecánicas de las fibras de seda de araña está relacionada con su grado de alineación molecular. [16] Las propiedades mecánicas también dependen de las condiciones ambientales, es decir, la humedad y la temperatura. [17]

Fortaleza

La resistencia a la tracción de una seda de dragalina es comparable a la del acero de aleación de alta calidad (450-2000 MPa), [18] [19] y aproximadamente la mitad de fuerte que los filamentos de aramida , como Twaron o Kevlar (3000 MPa). [20]

Densidad

Las sedas, compuestas principalmente de proteínas, tienen aproximadamente una sexta parte de la densidad del acero (1,3 g/cm 3 ). Como resultado, una hebra lo suficientemente larga como para rodear la Tierra pesaría alrededor de 2 kilogramos (4,4 libras). (La seda de dragalina de araña tiene una resistencia a la tracción de aproximadamente 1,3  GPa . La resistencia a la tracción indicada para el acero podría ser ligeramente mayor, por ejemplo, 1,65 GPa, [21] [22] pero la seda de araña es un material mucho menos denso, por lo que un peso dado de La seda de araña es cinco veces más fuerte que el mismo peso de acero.)

Densidad de energia

La densidad de energía de la seda de araña de dragalina es aproximadamente1,2 × 10 8  J/m 3 . [23]

Ductilidad

Las sedas son dúctiles y algunas pueden estirarse hasta cinco veces su longitud relajada sin romperse.

Tenacidad

La combinación de resistencia y ductilidad da a las sedas de dragalina una alta tenacidad (o trabajo para fracturarse), que "equivale a la de los filamentos comerciales de poliaramida (nylon aromático), que en sí mismos son puntos de referencia de la tecnología moderna de fibras poliméricas". [24] [25]

Temperatura

Si bien es poco probable que sean relevantes en la naturaleza, las sedas de dragalina pueden mantener su resistencia por debajo de -40 °C (-40 °F) y hasta 220 °C (428 °F). [26] Como ocurre en muchos materiales, las fibras de seda de araña sufren una transición vítrea . La temperatura de transición vítrea depende de la humedad, ya que el agua es un plastificante de la seda de araña. [17]

Supercontracción

Cuando se exponen al agua, las sedas de dragalina sufren una supercontracción, encogiéndose hasta un 50% en longitud y comportándose como una goma débil bajo tensión. [17] Muchas hipótesis han intentado explicar su uso en la naturaleza, más popularmente para volver a tensar las redes construidas durante la noche utilizando el rocío de la mañana. [ cita necesaria ]

Máximo rendimiento

La seda de araña más resistente que se conoce es la producida por la especie de araña de corteza de Darwin ( Caerostris darwini ): "La dureza de las fibras sedosadas a la fuerza tiene un promedio de 350 MJ/m 3 , y algunas muestras alcanzan los 520 MJ/m 3 . Por lo tanto, la seda de C. darwini es más más del doble de resistente que cualquier seda descrita anteriormente y más de 10 veces más resistente que el Kevlar". [27]

Adhesivo

La fibra de seda es una secreción piriforme de dos compuestos, hilada en patrones (llamados "discos de fijación") utilizando un mínimo de sustrato de seda. [28] Los hilos piriformes se polimerizan en condiciones ambientales, se vuelven funcionales inmediatamente y se pueden utilizar indefinidamente, siendo biodegradables, versátiles y compatibles con otros materiales del medio ambiente. [28] Las propiedades adhesivas y de durabilidad del disco de fijación están controladas por funciones dentro de las hileras. [29] Algunas propiedades adhesivas de la seda se asemejan al pegamento , que consta de microfibrillas y envolturas lipídicas . [28]

Usos

Todas las arañas producen sedas y una sola araña puede producir hasta siete tipos diferentes de seda para distintos usos. [30] Esto contrasta con las sedas de insectos, donde un individuo generalmente solo produce un solo tipo. [31] Las arañas usan la seda de muchas maneras, de acuerdo con las propiedades de la seda. A medida que las arañas han evolucionado, también lo han hecho la complejidad y los usos de sus sedas, por ejemplo, desde las primitivas redes tubulares de hace 300 a 400 millones de años hasta las complejas redes orbitales de hace 110 millones de años. [32]

tipos de seda

Una hembra de Argiope picta inmoviliza a su presa envolviendo una cortina de seda aciniforme alrededor del insecto para su posterior consumo.

Cumplir las especificaciones para todos estos usos ecológicos requiere diferentes tipos de seda que presenten diferentes propiedades, ya sea como fibra, como estructura de fibras o como glóbulo. Estos tipos incluyen colas y fibras. Algunos tipos de fibras se utilizan para soporte estructural, otros para estructuras protectoras. Algunos pueden absorber energía de forma eficaz, mientras que otros transmiten vibraciones de forma eficaz. Estos tipos de seda se producen en diferentes glándulas; por lo que la seda de una glándula en particular puede vincularse a su uso.

Muchas especies tienen diferentes glándulas para producir seda con diferentes propiedades para diferentes propósitos, incluyendo alojamiento, construcción de redes , defensa, captura y retención de presas , protección de huevos y movilidad (hilo fino de "tela de gasa" para globos , o para una hebra que permite a la araña desplegable a medida que se extruye la seda). [36] [37]

Síntesis e hilado de fibras.

Una araña de jardín tejiendo su telaraña.

La producción de seda se diferencia en un aspecto importante de la de la mayoría de los demás biomateriales fibrosos. Se extrae según demanda de un precursor de glándulas especializadas, [38] en lugar de crecer continuamente como las paredes celulares de las plantas. [23]

El proceso de hilado ocurre cuando una fibra es arrancada del cuerpo de una araña, ya sea por las patas de la araña, por la caída de la araña por su propio peso o por cualquier otro método. El término "giro" es engañoso porque no se produce ninguna rotación. Proviene de la analogía con las ruecas textiles . La producción de seda es una pultrusión , [39] similar a la extrusión, con la sutileza de que la fuerza se induce tirando de la fibra terminada en lugar de exprimirla fuera de un depósito. La fibra se extrae a través de (posiblemente múltiples) glándulas de seda de múltiples tipos. [38]

glándula de seda

Esquema del aparato de hilado de las arañas y la jerarquía estructural en el ensamblaje de la seda relacionada con el ensamblaje en fibras. [40] [41] [42] [43] [44] En el proceso de producción de dragalinas, la proteína de estructura primaria se secreta primero a partir de gránulos secretores en la cola. [45] En la ampolla (ambiente neutro, pH = 7), las proteínas forman una micela blanda de varias decenas de nanómetros por autoorganización porque los terminales hidrofílicos están excluidos. [46] En ampulados, la concentración de proteína es alta. [47] [48] Luego, las micelas se introducen en el conducto. La dirección del eje longitudinal de las moléculas se alinea paralela al conducto mediante una fuerza de fricción mecánica y se orienta parcialmente. [45] [46] [49] La disminución continua del pH de 7,5 a 8,0 en la cola hasta presumiblemente cerca de 5,0 se produce al final del conducto. [41] [50] [51] El intercambio iónico, la acidificación y la eliminación de agua ocurren en el conducto. [42] Las fuerzas de corte y de alargamiento conducen a la separación de fases. [42] En el baño ácido del conducto, las moléculas alcanzan un estado de cristal líquido de alta concentración. [52] Finalmente, la seda se hila desde el exterior cónico. Las moléculas se convierten en hélices y láminas β más estables a partir del cristal líquido.

La parte visible o externa de la glándula se denomina hilera . Dependiendo de la complejidad de la especie, las arañas tienen de dos a ocho hileras, normalmente en pares. Las especies tienen diversas glándulas especializadas, que van desde un saco con una abertura en un extremo hasta las complejas glándulas ampuladas de múltiples secciones de los tejedores de orbes de seda dorada . [53]

Detrás de cada hilera en la superficie de la araña se encuentra una glándula, cuya forma generalizada se muestra en la figura.

Características de la glándula
Esquema de una glándula generalizada de un tejedor de orbes de seda dorada . Cada sección de diferente color resalta una sección discreta de la glándula. [54] [55]
  1. La sección más a la izquierda es la sección secretora o de cola. Las paredes de esta sección están revestidas con células que secretan las proteínas Spidroin I y Spidroin II, los componentes principales de la draga de esta araña. Estas proteínas se encuentran en forma de gotitas que se alargan gradualmente para formar largos canales a lo largo de la fibra final, lo que se supone que ayuda a prevenir la formación de grietas o la autocuración. [56]
  2. La ampolla (saco de almacenamiento) es la siguiente. Esto almacena y mantiene la droga de seda sin hilar similar a un gel. Además, secreta proteínas que recubren la superficie de la fibra final. [24]
  3. El embudo reduce rápidamente el diámetro grande del saco de almacenamiento al diámetro pequeño del conducto ahusado.
  4. La longitud final es el conducto ahusado, el sitio de la mayor parte de la formación de fibras. Consiste en un tubo ahusado con varias vueltas cerradas y apretadas, una válvula cerca del extremo incluye una espiga de la cual emerge la fibra de seda sólida. El tubo se estrecha hiperbólicamente, por lo que la seda sin hilar está sometida a un esfuerzo cortante de elongación constante , un factor importante en la formación de fibras. Esta sección está revestida con células que intercambian iones, reducen el pH de la droga de neutro a ácido y eliminan el agua de la fibra. [57] En conjunto, el esfuerzo cortante y los cambios de iones y pH inducen que la droga de seda líquida experimente una transición de fase y se condense en una fibra proteica sólida con una alta organización molecular. La espiga al final tiene labios que sujetan la fibra, controlando el diámetro de la fibra y reteniendo aún más agua.
  5. Casi al final hay una válvula. Aunque se descubrió hace algún tiempo, su propósito preciso aún está bajo discusión. Se cree que ayuda a reiniciar y unir las fibras rotas, [58] actuando de manera muy parecida a una bomba helicoidal , regulando el grosor de la fibra, [39] y/o sujetando la fibra cuando una araña cae sobre ella. [58] [59] La similitud de la prensa de seda del gusano de seda y las funciones que desempeña cada una de estas válvulas en la producción de seda en estos dos organismos están en discusión.

A lo largo del proceso, la seda parece tener una textura nemática, [60] de manera similar a un cristal líquido , que surge en parte debido a la alta concentración de proteínas de la seda (alrededor del 30% en términos de peso por volumen). [61] Esto permite que la seda fluya a través del conducto como un líquido mientras se mantiene el orden molecular.

Como ejemplo de un campo de hilado complejo, el aparato de hilera de un Araneus diadematus adulto (araña cruzada de jardín) consta de muchas glándulas que se muestran a continuación. [9] Una arquitectura de glándula similar aparece en la araña viuda negra. [62]

Síntesis artificial

Una sola hebra de seda de araña artificial producida en condiciones de laboratorio

Para sintetizar artificialmente la seda de araña en fibras, se requieren dos tareas generales. Se trata de la síntesis de la materia prima (la droga de seda sin hilar de las arañas) y la síntesis de las condiciones de producción (el embudo, la válvula, el conducto ahusado y el grifo). Pocas estrategias han producido seda que pueda sintetizarse eficientemente en fibras.

Materia prima

La estructura molecular de la seda sin hilar es compleja y larga. Aunque esto confiere a las fibras propiedades deseables, también complica la replicación. Se han utilizado varios organismos como base para intentar replicar los componentes proteicos necesarios. Luego, estas proteínas deben extraerse, purificarse y luego centrifugarse antes de poder probar sus propiedades.

Geometría

Las sedas de araña con una estructura molecular comparativamente simple necesitan conductos complejos para poder formar una fibra eficaz. Enfoques:

Jeringuilla y aguja

La materia prima se fuerza a través de una aguja hueca usando una jeringa. [71] [72]

Aunque son baratas y fáciles de producir, la forma y las condiciones de las glándulas son vagamente aproximadas. Las fibras creadas con este método pueden necesitar estímulo para solidificarse eliminando el agua de la fibra con productos químicos como metanol (indeseables para el medio ambiente) [73] o acetona , [72] y también pueden requerir un estiramiento posterior de la fibra para lograr las propiedades deseables. [74] [71]

Superficies superhidrófobas

Colocar una solución de seda de araña sobre una superficie superhidrófoba puede generar láminas, partículas y nanocables de seda de araña. [75] [76]

Hojas

Autoensamblaje de seda en las interfases líquido-gas de una solución de láminas resistentes y resistentes. Ahora se exploran estas láminas para imitar la membrana basal en el modelado de tejidos. [77] [78]

Microfluidos

Los microfluidos tienen la ventaja de ser controlables y capaces de probar el hilado de pequeños volúmenes de fibra sin hilar, [79] [80] pero los costos de instalación y desarrollo son altos. Se ha concedido una patente y las fibras hiladas continuamente han logrado un uso comercial. [81]

electrohilado

El electrohilado es una técnica antigua mediante la cual un fluido se mantiene en un recipiente de manera que fluye por acción capilar. Debajo se coloca un sustrato conductor y se aplica una diferencia de potencial eléctrico entre el fluido y el sustrato. El fluido es atraído por el sustrato y pequeñas fibras saltan desde su punto de emisión, el cono de Taylor , al sustrato, secándose a medida que viajan. Este método crea fibras a nanoescala a partir de seda disecada de organismos y fibroína de seda regenerada. [ cita necesaria ]

Otras formas

La seda puede adoptar otras formas y tamaños, como cápsulas esféricas para la administración de fármacos, estructuras celulares y curación de heridas, textiles, cosméticos, recubrimientos y muchos otros. [82] [83] Las proteínas de seda de araña pueden autoensamblarse en superficies superhidrófobas en nanocables, así como en láminas circulares del tamaño de una micra. [83] Las proteínas recombinantes de seda de araña pueden autoensamblarse en la interfaz líquido-aire de una solución permanente para formar nanomembranas permeables a las proteínas, fuertes y flexibles que apoyan la proliferación celular. Las posibles aplicaciones incluyen trasplantes de piel y membranas de soporte en órganos en un chip. [84] Estas nanomembranas se han utilizado para crear un modelo estático in vitro de un vaso sanguíneo. [85]

Seda de araña sintética

Marco propuesto para producir piel artificial a partir de seda de araña para ayudar a pacientes con quemaduras.

Replicar las complejas condiciones requeridas para producir fibras comparables ha desafiado la investigación y la fabricación en sus primeras etapas. Mediante ingeniería genética , se han utilizado bacterias E. coli , levaduras, plantas, gusanos de seda y animales distintos de los gusanos de seda para producir proteínas similares a la seda de araña, que tienen características diferentes a las de una araña. [86] La extrusión de fibras proteicas en un ambiente acuoso se conoce como "hilado en húmedo". Este proceso ha producido fibras de seda con diámetros que oscilan entre 10 y 60 μm, en comparación con los diámetros de 2,5 a 4 μm de la seda de araña natural. Las sedas de araña artificiales tienen menos proteínas y más simples que la seda de dragalina natural y, en consecuencia, ofrecen la mitad del diámetro, la resistencia y la flexibilidad que la seda de dragalina natural. [86]

Investigación

Investigación

Usos humanos

Una capa hecha de seda de araña orbe dorada de Madagascar [116]

El primer intento registrado de tejer tela a partir de seda de araña fue en 1709 por François Xavier Bon quien, utilizando un proceso similar a la creación de seda de gusano de seda, tejió capullos de huevos de araña derivados de la seda en medias y guantes. Cincuenta años después, el misionero jesuita Ramón M. Termeyer  [pl] , inventó un dispositivo de bobinado para recolectar seda de araña directamente de las arañas, permitiendo hilarla en hilos. Ni Bon ni Termeyer lograron producir cantidades comercialmente viables. [117]

El desarrollo de métodos para producir en masa seda de araña condujo a la fabricación de bienes militares, médicos y de consumo, como armaduras balísticas , calzado deportivo, productos de cuidado personal , implantes mamarios y revestimientos de catéteres , bombas mecánicas de insulina , ropa de moda y prendas exteriores . . [86] Sin embargo, debido a las dificultades de extracción y procesamiento, la pieza de tela más grande conocida hecha de seda de araña es un textil de 11 por 4 pies (3,4 por 1,2 m) con un tinte dorado fabricado en Madagascar en 2009. [118] Ochenta y dos personas trabajaron durante cuatro años para recolectar más de un millón de arañas orbe doradas y extraerles seda. [119] En 2012, se utilizaron fibras de seda de araña para crear un juego de cuerdas de violín. [120]

Medicamento

Los campesinos de los Cárpatos del sur solían cortar los tubos construidos por Atypus y cubrir las heridas con el revestimiento interior. Según se informa, facilitó la curación y se conectó con la piel. Se cree que esto se debe a las propiedades antisépticas de la seda [121] y a que la seda es rica en vitamina K , que puede ayudar a coagular la sangre. [122] [ verificar ] La seda de N. clavipes se utilizó en investigaciones sobre la regeneración neuronal de los mamíferos . [123]

Instrumentos cientificos

La seda de araña se ha utilizado como hilo para miras en instrumentos ópticos como telescopios, microscopios [124] y miras de rifle telescópicas . [125] En 2011, se utilizaron fibras de seda para generar patrones de difracción finos sobre señales interferométricas de rendija N utilizadas en comunicaciones ópticas. [126] La seda se ha utilizado para crear biolentes que podrían usarse junto con láseres para crear imágenes de alta resolución del interior del cuerpo humano. [127]

La seda se ha utilizado para suspender objetivos de fusión por confinamiento inercial durante la ignición del láser, ya que permanece considerablemente elástica y tiene una alta energía para romperse a temperaturas tan bajas como 10 a 20 K. Además, está hecha de elementos de número atómico "ligeros" que no emiten rayos X durante la irradiación que podrían precalentar el objetivo, lo que limita el diferencial de presión necesario para la fusión. [128]

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