La naturaleza ha desarrollado sustancias a base de proteínas con propiedades mecánicas que rivalizan incluso con los mejores materiales sintéticos. Por ejemplo, libra por libra, La seda de araña es más fuerte y resistente que el acero. Pero a diferencia del acero, la fibra natural no se puede producir en masa. Hoy dia, Los científicos informan sobre un nuevo método que aprovecha las bacterias diseñadas para producir seda de araña y otras proteínas difíciles de producir que podrían ser útiles durante futuras misiones espaciales.

Los investigadores presentarán sus resultados hoy en la Reunión y Exposición Nacional de Primavera de 2019 de la American Chemical Society (ACS).

"En naturaleza, hay muchos materiales a base de proteínas que tienen propiedades mecánicas asombrosas, pero el suministro de estos materiales es muy a menudo limitado, "dice Fuzhong Zhang, Doctor., investigador principal del proyecto. "Mi laboratorio está interesado en diseñar microbios para que no solo podamos producir estos materiales, pero hazlos aún mejores ".

Si se produce en cantidades suficientes, La seda de araña se puede utilizar para una variedad de aplicaciones, desde tejidos a prueba de balas hasta suturas quirúrgicas. Pero la seda de araña no es fácil de cultivar:las arañas producen pequeñas cantidades, y algunas especies se vuelven caníbales cuando se mantienen en grupos. Por lo tanto, los científicos han probado la ingeniería de bacterias, levadura, plantas e incluso cabras para producir seda de araña, pero aún no han podido replicar completamente las propiedades mecánicas de la fibra natural.

Parte del problema es que las proteínas de la seda de araña están codificadas por secuencias de ADN altamente repetitivas. Las arañas han desarrollado formas de mantener estas secuencias en su genoma. Pero cuando los científicos introducen este tipo de ADN en otros organismos, los genes son muy inestables, a menudo es cortado o alterado por la maquinaria celular del huésped. Zhang y sus colegas de la Universidad de Washington en St. Louis se preguntaron si podrían romper el largo, secuencias repetitivas en bloques más cortos que las bacterias podrían manipular y convertir en proteínas. Luego, los investigadores pudieron ensamblar las proteínas más cortas en la fibra de seda de araña más larga.

El equipo introdujo genes en bacterias que codificaban dos partes de la proteína de seda de araña, cada uno flanqueado por una secuencia llamada intein dividida. Las inteínas divididas son secuencias de proteínas naturales con actividad enzimática:dos inteínas divididas en diferentes fragmentos de proteína pueden unirse y luego cortarse para producir una proteína intacta. Después de introducir los genes, los investigadores abrieron las bacterias y purificaron los trozos cortos de proteína de seda de araña. Mezclar los fragmentos hizo que se unieran a través del "pegamento" de la secuencia de intein dividida, que luego se corta para producir la proteína de longitud completa. Cuando se hila en fibras, la seda de araña producida microbianamente tenía todas las propiedades de la seda de araña natural, incluyendo una fuerza excepcional, tenacidad y capacidad de estiramiento. Los investigadores obtuvieron más seda con este método de la que pudieron obtener de las arañas (hasta dos gramos de seda por litro de cultivo bacteriano). y actualmente están tratando de aumentar aún más el rendimiento.

Los investigadores pueden producir varias proteínas repetitivas simplemente intercambiando el ADN de la seda de araña y colocando otras secuencias en las bacterias. Por ejemplo, los investigadores utilizaron la técnica para producir una proteína a partir de mejillones que se adhiere fuertemente a las superficies. Algún día la proteína podría aplicarse como un adhesivo bajo el agua. Ahora, los investigadores están trabajando para simplificar el proceso para que la reacción de unión de proteínas pueda ocurrir dentro de las células bacterianas. Esto mejoraría la eficiencia y la potencial automatización del sistema porque los investigadores no tendrían que purificar las dos partes de la proteína y luego incubarlas juntas.

Además de las aplicaciones aquí en la Tierra, el sistema de producción de proteínas bacterianas podría ser útil durante las misiones espaciales, Notas de Zhang. "La NASA es uno de nuestros patrocinadores, y les interesa la bioproducción, ", dice." Actualmente están desarrollando tecnologías en las que pueden convertir el dióxido de carbono en carbohidratos que podrían usarse como alimento para los microbios que estamos diseñando. De esa manera, los astronautas podrían producir estos materiales a base de proteínas en el espacio sin traer una gran cantidad de materias primas ".