La naturaleza es una excelente maestra, incluso para los científicos de materiales. Investigadores incluidos científicos del Instituto Max Planck de Coloides e Interfaces, ahora han observado un mecanismo notable por el cual se forman los materiales poliméricos. Para capturar presas, Los gusanos de terciopelo lanzan una secreción pegajosa que se endurece en hilos fuertes bajo la acción de la fuerza. Lo extraordinario de estos hilos es que pueden disolverse y luego reformarse nuevamente. El hecho de que se puedan extraer fibras poliméricas reversibles de la secreción previamente líquida es un concepto muy interesante para los investigadores. Es muy posible que algún día sea posible sintetizar nuevos materiales reciclables basados ​​en el principio de los gusanos de terciopelo.

Algunos animales producen materiales asombrosos. Seda de araña, por ejemplo, es más fuerte que el acero. Los mejillones secretan hilos de byssus, que utilizan para aferrarse con fuerza a las piedras bajo el agua. El material secretado por los gusanos de terciopelo no es menos impresionante. Estos pequeños animales parecidos a gusanos, que parecen un cruce entre una lombriz y una oruga, rocíe un líquido pegajoso para alejar a los enemigos o atrapar presas que son particularmente mortales para presas como cochinillas, grillos y arañas:tan pronto como intentan escaparse de los hilos viscosos, sus luchas hacen que los hilos se endurezcan, sin dejar ninguna esperanza de escapar.

"Las fuerzas de cizallamiento generadas por las luchas de la presa hacen que el limo se endurezca en filamentos rígidos, "explica Alexander Bär, estudiante de doctorado en la Universidad de Kassel, que está estudiando con el experto en gusanos de terciopelo Georg Mayer. Para investigar el limo de una especie de gusano de terciopelo australiano, el biólogo trabajó en estrecha colaboración con investigadores del Instituto Max Planck de Coloides e Interfaces en Potsdam. El químico Stephan Schmidt, por ejemplo, ahora profesor en la Universidad Heinrich Heine de Düsseldorf, ayudó a dilucidar la nanoestructura del limo. Un grupo de investigación dirigido por el bioquímico Matt Harrington en el Departamento de Biomateriales del Instituto Potsdam se centró en otras cuestiones relativas a la composición química y el procesamiento molecular. El grupo interdisciplinario de científicos estaba particularmente interesado en cómo cambia la composición y estructura de la secreción durante la formación del hilo.

Mezcla viscosa de proteínas y ácidos grasos

"Ya sabíamos que el limo se compone principalmente de grandes moléculas de proteínas y ácidos grasos, ", Dice Alexander Bär. En el Instituto Max Planck de Potsdam, los investigadores descubrieron que las proteínas y los lípidos se combinan para formar pequeños glóbulos. "Los gusanos de terciopelo producen las moléculas de proteína y grasa, así como otros componentes por separado", Bär explica. "Fuera de las células de la glándula, los nanoglobulos se forman entonces de forma independiente para crear las propiedades adhesivas y de formación de hilos. "Los glóbulos se forman con una precisión notable, ya que tienen una forma uniforme y siempre tienen un diámetro de alrededor de 75 nanómetros.

Los gusanos de terciopelo almacenan su arma líquida hasta que se necesita. Luego disparan la baba a su presa o enemigo a través de dos boquillas ubicadas a cada lado de su cabeza por medio de contracciones musculares. "Al principio, la consistencia pegajosa no cambia, "Bär dice". Sin embargo, tan pronto como la presa comience a luchar, fuerzas de cizallamiento actúan sobre el limo para romper los nanoglobulillos. "Los estudios de espectroscopia vibratoria en Potsdam mostraron que las proteínas y los ácidos grasos se separan en el proceso." Mientras que las proteínas forman fibras largas en el interior del limo, las moléculas de lípidos y agua se desplazan hacia el exterior y forman una especie de vaina, "Bär explica. Los investigadores también encontraron que la hebra de proteína en el interior tiene una rigidez a la tracción similar a la del nailon. Esto explica el notable rendimiento de los filamentos.

Los hilos polimerizados se vuelven a disolver en agua.

Otros experimentos demostraron que los hilos de fango polimerizados se pueden disolver en agua de nuevo en unas pocas horas de secado. "Lo sorprendente para nosotros fue que las proteínas y los lípidos evidentemente se volvieron a mezclar para formar los mismos nanoglobulos que ya habíamos encontrado en el limo original, "Dice Matt Harrington. Los glóbulos de proteína-lípido recién formados eran incluso similares en tamaño a los de la secreción natural". Evidentemente, funciona un mecanismo de autoorganización que aún no comprendemos del todo, "Dice Harrington.

Otro descubrimiento sorprendente fue que se pueden volver a extraer hilos pegajosos del limo recuperado. Y se comportaron exactamente como la secreción de gusanos de terciopelo recién secretada bajo la influencia de las fuerzas de corte:se endurecieron. "Este es un buen ejemplo de un proceso de regeneración completamente reversible e indefinidamente repetible, "dice Matt Harrington. Curiosamente, todo esto se logra con biomoléculas y a temperatura ambiente normal. Por lo tanto, los gusanos de terciopelo podrían servir de modelo para los fabricantes de polímeros sintéticos y posiblemente podrían enseñarles mucho sobre la producción sostenible de materiales sintéticos.

Harrington está de acuerdo. El bioquímico bien puede imaginar que algún día seremos capaces de sintetizar macromoléculas para aplicaciones industriales de manera similar a partir de materias primas renovables. En el caso de la seda de araña, Ya ha sido posible producir proteínas análogas industrialmente y suministrar las fibras producidas a partir de ellas a la industria de la confección.

¿Cómo se separan las proteínas y las moléculas de lípidos?

Un polímero que se disuelve en agua, como hebras solidificadas de gusanos de terciopelo, probablemente sería poco práctico. Pero el principio podría generar nuevas inspiraciones en la ciencia de los materiales, Matt Harrington cree. "En este momento, el primer paso es comprender mejor los mecanismos, "dice el especialista en biomateriales, quien ahora ha comenzado una cátedra en la Universidad McGill en Montreal. Por ejemplo, los científicos están interesados ​​en saber por qué las fuerzas de cizallamiento mecánicas hacen que las proteínas se separen de las moléculas de lípidos en primer lugar. También quieren determinar los factores que gobiernan la formación reversible de nanoglobulos de tamaño uniforme. Otra pregunta sin respuesta es cómo se combinan las unidades de proteína para producir fibras rígidas sin formar enlaces químicos fijos, dice el investigador de Max Planck Harrington.