Investigadores chinos crean gusanos mutantes que fabrican seda de ara?a

Investigadores chinos han modificado gen¨¦ticamente gusanos de seda para que produzcan seda, pero de ara?a. Los hilos conseguidos combinan las propiedades mec¨¢nicas de fibras sint¨¦ticas como el nailon, una de las m¨¢s resistentes, o el kevlar, material usado en los chalecos antibalas. Los autores del trabajo, publicado en la revista cient¨ªfica Matter, creen que la producci¨®n masiva de seda de ara?a ser¨ªa una alternativa a materiales sint¨¦ticos cuyas virtudes los convierten en un problema ambiental cuando acaba su vida ¨²til.

La producci¨®n de seda es una de esas maravillas de la naturaleza de la que los humanos se han aprovechado. Hace milenios, en alg¨²n punto del este de Asia, ejemplares de gusano de seda salvaje (Bombyx mandarina) empezaron a ser criados en cautividad. En el proceso de domesticaci¨®n, sus polillas perdieron la capacidad de volar y el gusano empez¨® a depender de sus criadores para alimentarse de hojas de morera blanca. Hab¨ªan creado el gusano de seda dom¨¦stico (Bombyx mori). Sus mariposas no volar¨¢n, pero siguen siendo animales magn¨ªficos: una polilla puede poner centenares de huevos de los que salen min¨²sculos gusanos de unos mil¨ªmetros que multiplican su tama?o 40 veces en unas seis semanas. Entonces, dejan de comer y su cabeza se agranda. Se acerca el momento de la metamorfosis y durante unos d¨ªas el gusano segrega su hilo de seda en torno a ¨¦l, girando para crear un capullo. En este punto los sericicultores cuecen los capullos, con la cris¨¢lida dentro, y tras un proceso de secado, deshilan el capullo. La longitud de la fibra puede superar los 1.000 metros. Brillante, ligera, muy suave, transpirable, biodegradable, relativamente resistente, a la seda le faltan otras propiedades mec¨¢nicas que han limitado su uso a la industria textil, algunas aplicaciones m¨¦dicas y poco m¨¢s.

Ahora, investigadores de varias universidades chinas plantean que es posible crear una seda tan resistente a la tensi¨®n como el nailon de los hilos de pescar y tan dura como otro de los materiales sint¨¦ticos m¨¢s afamados, el kevlar. Para ello pusieron sus ojos y conocimiento en las ara?as. Como los gusanos B. mori, la mayor¨ªa de las 41.000 especies de ar¨¢cnidos conocidos producen seda. Y algunos, como la ara?a de corteza de Darwin, que habita las menguantes selvas de Madagascar, elaboran la fibra de origen animal m¨¢s tenaz jam¨¢s encontrada. En f¨ªsica, la tenacidad se refiere a la capacidad de un material de soportar la deformaci¨®n hasta que se rompe. Se da la circunstancia de que tanto la seda del gusano como la de las ara?as son poliamidas naturales. Mientras, el nailon y el kevlar, son poliamidas sint¨¦ticas. Estas ¨²ltimas han aportado grandes beneficios a la sociedad, pero est¨¢n entre los mayores contaminantes del entorno por su perdurabilidad y urge encontrar sustitutos sostenibles.

As¨ª que estos cient¨ªficos chinos se plantearon la posibilidad de producir seda de ara?a. Salvo algunos ensayos en el laboratorio, la producci¨®n masiva de este hilo parece imposible: no se ha logrado domesticar a ninguna especie de ara?a para seleccionarlas por determinados rasgos. Adem¨¢s, son territoriales y tienden a comerse unas a otras. As¨ª que la cr¨ªa de estos animales a gran escala no parece tener mucho futuro. La otra opci¨®n era recurrir a la gen¨¦tica y es lo que han hecho.

Usando la t¨¦cnica de edici¨®n CRISPR, insertaron genes que expresan las prote¨ªnas de la seda de ara?a en las gl¨¢ndulas secretoras con las que el gusano crea la suya. Y lo hicieron cuando a¨²n estaban dentro de los huevos con microinyecciones. Tras la eclosi¨®n dejaron que completaran su ciclo vital hasta que, en la fase de polilla, se aparearan con otras no modificadas gen¨¦ticamente. De la siguiente generaci¨®n seleccionaron a varios gusanos, una parte de ellos mutantes. Todos eran capaces de secretar seda y tras forzar su hilado (ver imagen arriba), la analizaron para determinar su estructura qu¨ªmica y sus propiedades mec¨¢nicas.

El hilo de seda de los gusanos mutantes mostr¨® ¡°una impresionante resistencia en tracci¨®n (1.3 GPa) y una tenacidad (300 MJ/m?) seis veces la del kevlar¡±, escriben los autores en las conclusiones de su trabajo. La primera propiedad, la de la resistencia, se expresa en (giga)pascales, la unidad de presi¨®n. Por comparar, el primer nailon patentado (que no inventado) por el gigante qu¨ªmico DuPont hace casi un siglo ten¨ªa una resistencia a la tracci¨®n de 0,08 GPa, aunque las versiones actuales han mejorado mucho. En cuanto a la tenacidad, sus valores se expresan en julios por metro c¨²bico. El valor logrado por la seda de ara?a es uno de los mayores jam¨¢s logrado por una fibra, ya sea por la naturaleza o por los humanos.

¡°Con este proceso es claramente posible producir fibras de seda de ara?a a gran escala¡±

Randy Lewis, profesor jubilado en la Universidad Estatal de Utah (Estados Unidos) y pionero de la manipulaci¨®n gen¨¦tica de gusanos de seda

El primer autor del estudio, Junpeng Mi, investigador de la Facultad de Ciencias Biol¨®gicas e Ingenier¨ªa M¨¦dica de la Universidad de Donghua (China), destaca en una nota de prensa que la seda de ara?a es ¡°un recurso estrat¨¦gico que necesita ser explorado de forma urgente¡±. Para Mi, este material tendr¨ªa un amplio campo de aplicaciones, empezando por el suyo, la medicina. ¡°Este tipo de fibra se puede utilizar para suturas quir¨²rgicas, atendiendo una demanda global que supera los 300 millones de procedimientos al a?o¡±, dice. Las fibras de seda de ara?a tambi¨¦n podr¨ªan usarse para crear ropa con nuevas propiedades, chalecos antibalas, materiales inteligentes, tecnolog¨ªa aeroespacial o ingenier¨ªa biom¨¦dica. La clave est¨¢ en escalar lo que han logrado con unos pocos gusanos en el laboratorio.

¡°La del gusano de seda es actualmente la ¨²nica fibra de seda animal comercializada a gran escala, con t¨¦cnicas de cr¨ªa bien establecidas¡±, recuerda Mi. ¡°En consecuencia, el empleo de gusanos de seda gen¨¦ticamente modificados para producir fibra de seda de ara?a permitir¨ªa una comercializaci¨®n a gran escala y bajo costo¡±.

El coste, ese es uno de los posibles obst¨¢culos para que esta idea funcione. Es la duda que plantea Gustavo Plaza, profesor de la Universidad Polit¨¦cnica de Madrid (UPC) e investigador en ciencia de materiales. Durante a?os, Plaza estuvo investigando todo tipo de sedas, de los gusanos, de diversas especies de ara?a, la sint¨¦tica... Aunque ahora estudia otros biomateriales avanzados, cree que la idea de producir seda de ara?a con gusanos mutantes puede funcionar. ¡°T¨¦cnicamente, es viable y podr¨ªa serlo comercialmente, pero habr¨ªa que ver el coste comparado con el de las fibras sint¨¦ticas¡±, dice.

El investigador espa?ol coincide con los chinos en que la seda de ara?a ¡°combina lo mejor de fibras como el nailon o el kevlar¡±. Las ara?as producen, seg¨²n explica, hasta siete tipos de seda diferentes. ¡°Los mejores hilos son los de los radios de sus telara?as¡±, concreta. Pero su sistema para segregarla es tan sofisticado como el del gusano de seda. Tanto, que los humanos no han podido replicarlo. Lo reconoce Plaza: ¡°Hemos disuelto la seda y usando esas mismas prote¨ªnas para hilarla de nuevo no se ha logrado que tenga las mismas propiedades. No conseguimos copiar a ara?as y gusanos de seda¡±.

Hace una docena de a?os ya hubo otro intento para que los gusanos fabricaran seda de ara?a. Uno de aquellos pioneros es Randy Lewis, investigador y profesor recientemente jubilado en la Universidad Estatal de Utah (Estados Unidos). Lewis, que no ha participado en el trabajo de sus colegas chinos, reconoce dos grandes avances respecto a su trabajo: ¡°El primero es que han identificado la estructura de prote¨ªnas fundamental de la fibra de seda y lo que la hace fuerte. Lo segundo es que han creado gusanos de seda que producen la prote¨ªna de la seda de ara?a en la fibra del capullo en lugar de la prote¨ªna del gusano de seda. Esto ¨²ltimo es la diferencia clave entre su trabajo y los dem¨¢s. En los anteriores [como el suyo] siempre hab¨ªa algo de prote¨ªna de gusano de seda presente en la fibra¡±. Lewis coincide con el espa?ol Plaza y el chino Mi en que ¡°con este proceso es claramente posible producir fibras de seda de ara?a a gran escala¡±.

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