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Seda de araña

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

La seda de araña es una fibra proteica o seda tejida por las arañas . Las arañas utilizan la seda para hacer redes 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 de una altura, para flotar en el aire o para planear lejos 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 de organismos que hilan seda, como los gusanos de seda .

Todas las arañas producen seda, aunque algunas arañas no tejen telarañas. La seda está relacionada con el cortejo y el apareamiento . La seda producida por las hembras proporciona un canal de transmisión para las señales vibratorias de cortejo de los machos, mientras que las telarañas y las redes de arrastre proporcionan un sustrato para las feromonas sexuales femeninas . Las observaciones de arañas macho que producen seda durante las interacciones sexuales son comunes en taxones ampliamente distribuidos. La función de la seda producida por los machos en el apareamiento ha sido poco estudiada. [3]

Propiedades

Estructural

Estructura de la seda de araña: láminas beta cristalinas separadas por enlaces amorfos

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] por lo que las sedas a menudo se denominan copolímeros en bloque . En un nivel secundario, la alanina de cadena lateral corta se encuentra principalmente en los dominios cristalinos ( láminas beta ) de la nanofibrilla. La glicina se encuentra principalmente en la llamada matriz amorfa que consiste en estructuras helicoidales y de giro beta. [5] [6] La interacción entre los segmentos cristalinos duros y las regiones semiamorfas elásticas tensas le da a la seda de araña sus propiedades extraordinarias. [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 al mismo tiempo que evitan la invasión de hormigas. Se presenta en alta concentración en los hilos de pegamento. El fosfato de potasio hidrogenado libera iones de hidrógeno en solución acuosa, lo que da como resultado un pH de aproximadamente 4, lo que acidifica la seda y la protege de los hongos y las bacterias que, de lo contrario, digerirían la proteína. Se cree que el nitrato de potasio evita que la proteína se desnaturalice en un medio ácido. [9]

Termonia introdujo este primer modelo básico de seda en 1994. [10] Sugirió cristalitos incrustados en una matriz amorfa interconectados con enlaces de hidrógeno . Los refinamientos de 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 se revelaron 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 la fibra.

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 de arrastre, tienen propiedades mecánicas excepcionales. Presentan 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 ( tenacidad , el área bajo una curva de tensión-deformación).

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

La fuerza y ​​la dureza son magnitudes distintas. En relación con el 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 ambos.

La variabilidad de las propiedades mecánicas de la fibra 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]

Módulo de Young

El módulo de Young es la resistencia a la deformación elástica a lo largo de la dirección de la fuerza de tracción. A diferencia del acero o el kevlar, que son rígidos, la seda de araña es dúctil y elástica, y tiene un módulo de Young más bajo. Según la base de datos Spider Silkome, la seda lateral de Ariadna tiene el módulo de Young más alto, con 37 GPa [18] , en comparación con los 208 GPa del acero [19] y los 112 GPa del kevlar [20] .

Resistencia a la tracción

La resistencia a la tracción de la seda de arrastre es comparable a la del acero de aleación de alto grado (450−2000 MPa), [21] [22] y aproximadamente la mitad de fuerte que los filamentos de aramida , como Twaron o Kevlar (3000 MPa). [23] Según la base de datos Spider Silkome, la seda de vigilia Clubiona tiene la mayor resistencia a la tracción. [18]

Densidad

Compuesta principalmente por proteínas, la seda tiene una densidad de aproximadamente una sexta parte de la del acero (1,3 g/cm3 ) . Como resultado, una hebra lo suficientemente larga como para dar la vuelta a la Tierra pesaría unos 2 kilogramos (4,4 lb). (La seda 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 superior, por ejemplo, 1,65 GPa, [24] [25] pero la seda de araña es un material mucho menos denso, de modo que un peso determinado de seda de araña es cinco veces más fuerte que el mismo peso de acero).

Densidad de energía

La densidad energética de la seda de araña de arrastre es aproximadamente1,2 × 10 8  J/m 3 . [26]

Ductilidad

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

Tenacidad

La combinación de resistencia y ductilidad confiere a las sedas de dragalina una alta tenacidad (o trabajo hasta la fractura), que "es igual a la de los filamentos de poliaramida (nailon aromático) comerciales, que son en sí mismos puntos de referencia de la tecnología moderna de fibras de polímero". [27] [28] Según la base de datos Spider Silkome, la seda de Araneus ishisawai es la más resistente. [18]

Alargamiento de rotura

La elongación en la rotura compara la longitud inicial del objeto con la longitud final en la rotura. Según la base de datos Spider Silkome, la seda de Caerostris darwini tiene la mayor tensión en la rotura de todas las sedas de araña, rompiéndose con un 65 % de extensión. [18]

Temperatura

Si bien es poco probable que sean relevantes en la naturaleza, las sedas de las redes de arrastre pueden mantener su resistencia por debajo de los -40 °C (-40 °F) y hasta los 220 °C (428 °F). [29] Como ocurre en muchos materiales, las fibras de seda de araña experimentan una transición vítrea . La temperatura de transición vítrea depende de la humedad, ya que el agua es un plastificante para la seda de araña. [17]

Supercontracción

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

De más alto rendimiento

La seda de araña más resistente que se conoce es la producida por la especie araña de corteza de Darwin ( Caerostris darwini ): "La dureza de las fibras sedificadas a la fuerza es de 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 del doble de resistente que cualquier seda descrita anteriormente y más de 10 veces más resistente que el Kevlar". [30]

Adhesivo

La fibra de seda es una secreción piriforme de dos compuestos, hilada en patrones (llamados "discos de unión") utilizando un mínimo de sustrato de seda. [31] Los hilos piriformes se polimerizan en condiciones ambientales, se vuelven funcionales inmediatamente y se pueden usar indefinidamente, permaneciendo biodegradables, versátiles y compatibles con otros materiales del medio ambiente. [31] Las propiedades adhesivas y de durabilidad del disco de unión están controladas por funciones dentro de las hileras. [32] Algunas propiedades adhesivas de la seda se asemejan al pegamento , que consiste en microfibrillas y encapsulamientos lipídicos . [31]

Usos

Todas las arañas producen sedas, y una sola araña puede producir hasta siete tipos diferentes de seda para distintos usos. [33] Esto contrasta con las sedas de los insectos, donde un individuo generalmente produce un solo tipo. [34] Las arañas usan las sedas de muchas maneras, de acuerdo con las propiedades de la seda. A medida que las arañas han evolucionado, también lo ha hecho la complejidad y los usos de sus sedas, por ejemplo, desde las primitivas telas tubulares hace 300-400 millones de años hasta las complejas telas orbiculares hace 110 millones de años. [35]

Tipos de seda

Una hembra de Argiope picta inmovilizando a su presa envolviéndola con una cortina de seda aciniforme para su posterior consumo.
La araña cangrejo salta con una cuerda de seguridad sobre una planta de hierro amarilla . Repetición en cámara lenta variable para ver mejor la cuerda de seda. Probablemente la araña sea Misumessus oblongus .

Para cumplir con las especificaciones de todos estos usos ecológicos se necesitan distintos tipos de seda que presenten distintas propiedades, ya sea como fibra, como estructura de fibras o como glóbulo. Entre estos tipos se incluyen los pegamentos y las fibras. Algunos tipos de fibras se utilizan para el soporte estructural, otros para estructuras de protección. Algunas pueden absorber energía de manera eficaz, mientras que otras transmiten las vibraciones de manera eficiente. 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 vivienda, construcción de telarañas , defensa, captura y detención de presas , protección de huevos y movilidad (hilo fino "gasa" para formar globos , o para una hebra que permite que la araña caiga mientras se extruye la seda). [39] [40]

Capullo de araña

Síntesis e hilado de fibras

Una araña de jardín tejiendo su tela

La producción de seda difiere en un aspecto importante de la de la mayoría de los demás biomateriales fibrosos: se extrae a demanda de un precursor de glándulas especializadas [41] , en lugar de crecer continuamente como las paredes celulares de las plantas [26] .

El proceso de hilado se produce cuando una fibra se separa 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 "hilado" es engañoso porque no se produce rotación. Proviene de una analogía con las ruedas de hilado de textiles . La producción de seda es una pultrusión , [42] similar a la extrusión, con la sutileza de que la fuerza se induce tirando de la fibra terminada en lugar de exprimiéndola fuera de un depósito. La fibra se tira a través de (posiblemente múltiples) glándulas de seda de múltiples tipos. [41]

Glándula de seda

Esquema del aparato de hilado de las arañas y jerarquía estructural en el ensamblaje de la seda relacionado con el ensamblaje en fibras. [43] [44] [45] [46] [47] En el proceso de producción de la línea de arrastre, la proteína de estructura primaria se secreta primero de los gránulos secretores en la cola. [48] En la ampolla (ambiente neutro, pH = 7), las proteínas forman una micela suave de varias decenas de nanómetros por autoorganización porque se excluyen las terminales hidrófilas. [49] En la ampolla, la concentración de la proteína es alta. [50] [51] Luego, las micelas se aprietan en el conducto. La dirección del eje largo de las moléculas se alinea paralela al conducto por una fuerza de fricción mecánica y se orienta parcialmente. [48] [49] [52] La disminución continua del pH de 7,5 a 8,0 en la cola a presumiblemente cerca de 5,0 ocurre al final del conducto. [44] [53] [54] El intercambio de iones, la acidificación y la eliminación de agua ocurren en el conducto. [45] Las fuerzas de cizallamiento y elongación conducen a la separación de fases. [45] En el baño ácido del conducto, las moléculas alcanzan un estado de cristal líquido de alta concentración. [55] 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 . Según la complejidad de la especie, las arañas tienen de dos a ocho hileras, generalmente en pares. Las especies tienen glándulas especializadas que varían, desde un saco con una abertura en un extremo hasta las glándulas ampuladas complejas de múltiples secciones de las arañas tejedoras de seda dorada . [56]

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

Características de las glándulas
Esquema de una glándula generalizada de una araña tejedora de seda dorada . Cada sección de diferente color resalta una sección discreta de la glándula. [57] [58]
  1. La sección más a la izquierda es la sección secretora o de la cola. Las paredes de esta sección están revestidas de células que secretan las proteínas Spidroin I y Spidroin II, los principales componentes de la fibra de arrastre de esta araña. Estas proteínas se encuentran en forma de gotitas que se alargan gradualmente para formar canales largos a lo largo de la fibra final, lo que se supone que ayuda a prevenir la formación de grietas o la autocuración. [59]
  2. A continuación se encuentra la ampolla (saco de almacenamiento), que almacena y mantiene la fibra de seda no hilada, que tiene una consistencia gelatinosa. Además, secreta proteínas que recubren la superficie de la fibra final. [27]
  3. El embudo reduce rápidamente el gran diámetro de la bolsa de almacenamiento al pequeño diámetro del conducto cónico.
  4. La longitud final es el conducto cónico, el sitio de la mayor parte de la formación de la fibra. Este consiste en un tubo cónico con varias curvas cerradas y cerradas, una válvula cerca del extremo incluye una espiga de la cual emerge la fibra de seda sólida. El tubo se estrecha hiperbólicamente, por lo tanto, la seda sin hilar está bajo una tensión de corte de elongación constante , un factor importante en la formación de la fibra. Esta sección está revestida con células que intercambian iones, reducen el pH de la solución de neutro a ácido y eliminan el agua de la fibra. [60] Colectivamente, la tensión de corte y los cambios de iones y pH inducen a la solución de seda líquida a experimentar una transición de fase y condensarse en una fibra de proteína sólida con una alta organización molecular. La espiga en el extremo tiene labios que se sujetan alrededor de 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 en discusión. Se cree que ayuda a reiniciar y unir las fibras rotas, [61] actuando como una bomba helicoidal , regulando el grosor de la fibra, [42] y/o sujetando la fibra cuando una araña cae sobre ella. [61] [62] La similitud de la prensa de seda del gusano de seda y los roles que cada una de estas válvulas desempeña en la producción de seda en estos dos organismos son objeto de discusión.

A lo largo de todo el proceso, la seda parece tener una textura nemática, [63] de manera similar a un cristal líquido , que surge en parte debido a la alta concentración de proteínas de la solución de seda (alrededor del 30% en términos de peso por volumen). [64] Esto permite que la seda fluya a través del conducto como un líquido mientras mantiene el orden molecular.

Como ejemplo de un campo de hilado complejo, el aparato de hilado de un Araneus diadematus (araña de jardín) adulto consta de muchas glándulas, como se muestra a continuación. [9] Una arquitectura de glándulas similar aparece en la araña viuda negra. [65]

Síntesis artificial

Hebra única de seda de araña artificial producida en condiciones de laboratorio

Para sintetizar artificialmente la seda de araña y convertirla en fibras, se requieren dos tareas generales: la síntesis de la materia prima (la seda no hilada de las arañas) y la síntesis de las condiciones de producción (el embudo, la válvula, el conducto cónico y la espita). Pocas estrategias han producido seda que pueda sintetizarse de manera eficiente en fibras.

Materia prima

La estructura molecular de la seda no hilada es compleja y larga. Si bien esto confiere a las fibras propiedades deseables, también complica la replicación. Se han utilizado diversos organismos como base para los intentos de replicar los componentes proteínicos necesarios. Luego, estas proteínas deben extraerse, purificarse y luego hilarse antes de poder probar sus propiedades.

Geometría

Las sedas de araña, con una estructura molecular relativamente simple, necesitan conductos complejos para poder formar una fibra eficaz. Métodos:

Jeringa y aguja

La materia prima se introduce a presión a través de una aguja hueca utilizando una jeringa. [74] [75]

Aunque es barato y fácil de producir, la forma y las condiciones de la glándula son aproximadas. Las fibras creadas con este método pueden necesitar que se las incentive para solidificarse eliminando el agua de la fibra con productos químicos como el metanol (indeseable para el medio ambiente) [76] o la acetona [75] , y también pueden requerir un estiramiento posterior de la fibra para lograr las propiedades deseadas. [77] [74]

Superficies superhidrofóbicas

Colocar una solución de seda de araña sobre una superficie superhidrofóbica puede generar láminas, partículas y nanocables de seda de araña. [78] [79]

Hojas

Autoensamblaje de seda en interfases estables de líquido-gas de una solución de láminas resistentes y fuertes. Estas láminas se están explorando ahora para imitar la membrana basal en el modelado de tejidos. [80] [81]

Microfluídica

La microfluídica tiene la ventaja de ser controlable y de poder probar el hilado de pequeños volúmenes de fibra no hilada, [82] [83] pero los costos de instalación y desarrollo son altos. Se ha concedido una patente y las fibras hiladas de forma continua han alcanzado un uso comercial. [84]

Electrohilado

El electrohilado es una técnica antigua que consiste en colocar un fluido en un recipiente de manera que fluya hacia afuera por capilaridad. Debajo se coloca un sustrato conductor y se aplica una diferencia de potencial eléctrico entre el fluido y el sustrato. El fluido es atraído hacia el sustrato y pequeñas fibras saltan desde su punto de emisión, el cono de Taylor , hasta el sustrato, secándose a medida que avanzan. Este método crea fibras a escala nanométrica a partir de seda disecada de organismos y fibroína de seda regenerada. [ cita requerida ]

Otras formas

La seda se puede moldear en otras formas y tamaños, como cápsulas esféricas para la administración de fármacos, andamiajes celulares y cicatrización de heridas, textiles, cosméticos, recubrimientos y muchos otros. [85] [86] Las proteínas de seda de araña pueden autoensamblarse en superficies superhidrofóbicas en nanocables, así como en láminas circulares de tamaño micrométrico. [86] Las proteínas de seda de araña recombinantes pueden autoensamblarse en la interfaz líquido-aire de una solución en reposo para formar nanomembranas permeables a las proteínas, fuertes y flexibles que apoyan la proliferación celular. Las aplicaciones potenciales incluyen trasplantes de piel y membranas de soporte en órganos en un chip. [87] Estas nanomembranas se han utilizado para crear un modelo in vitro estático de un vaso sanguíneo. [88]

Seda de araña sintética

Propuesta de marco para producir piel artificial a partir de seda de araña para ayudar a pacientes con quemaduras.

Reproducir las complejas condiciones necesarias para producir fibras comparables ha sido un desafío para la investigación y la fabricación en las primeras etapas. Mediante ingeniería genética , se han utilizado bacterias E. coli , levaduras, plantas, gusanos de seda y otros 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. [89] La extrusión de fibras proteínicas en un entorno acuoso se conoce como "hilado húmedo". Este proceso ha producido fibras de seda con diámetros que van desde 10 a 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 de la seda de dragalina natural. [89]

Investigación

Investigación

Usos humanos

Una capa hecha de seda de araña orbe dorada de Madagascar [120]

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 al de la creación de seda de gusanos de seda, tejió capullos de huevos de araña derivados de la seda para hacer medias y guantes. Cincuenta años después, el misionero jesuita Ramón M. Termeyer  [pl] inventó un dispositivo de devanado para recolectar seda de araña directamente de las arañas, lo que permitió hilarla en hilos. Ni Bon ni Termeyer tuvieron éxito en producir cantidades comercialmente viables. [121]

El desarrollo de métodos para producir seda de araña en masa condujo a la fabricación de bienes militares, médicos y de consumo, como armaduras balísticas , calzado deportivo, productos de cuidado personal , recubrimientos para implantes mamarios y catéteres , bombas mecánicas de insulina , ropa de moda y ropa de abrigo . [89] Sin embargo, debido a las dificultades para extraerla y procesarla, 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. [122] Ochenta y dos personas trabajaron durante cuatro años para recolectar más de un millón de arañas orbe doradas y extraerles seda. [123] En 2012, se utilizaron fibras de seda de araña para crear un juego de cuerdas de violín. [124]

Medicamento

Los campesinos de los Cárpatos meridionales solían cortar tubos construidos por Atypus y cubrir heridas con el revestimiento interior. Se dice que facilitaba la curación y se conectaba con la piel. Se cree que esto se debe a las propiedades antisépticas de la seda, [125] y porque la seda es rica en vitamina K , que puede ayudar a la coagulación de la sangre. [126] [ verificar ] La seda de N. clavipes se utilizó en investigaciones sobre la regeneración neuronal de los mamíferos . [127]

Ciencia y tecnología

La seda de araña se ha utilizado como hilo para las crucetas de instrumentos ópticos como telescopios, microscopios, [128] y miras telescópicas para rifles . [129] En 2011, se utilizaron fibras de seda para generar patrones de difracción finos sobre señales interferométricas de rendija N utilizadas en comunicaciones ópticas. [130] 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. [131]

La seda se ha utilizado para suspender objetivos de fusión por confinamiento inercial durante la ignición del láser, ya que sigue siendo considerablemente elástica y tiene una alta energía para romperse a temperaturas tan bajas como 10-20 K. Además, está hecha de elementos de número atómico "ligero" que no emiten rayos X durante la irradiación que podrían precalentar el objetivo, lo que limita la diferencia de presión necesaria para la fusión. [132]

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