Dal laboratorio ai cieli: la seta di ragno artificiale che rivoluzionerà medicina e spazio

La seta di ragno, nota per la sua resistenza e biocompatibilità, è difficile da produrre su larga scala. Un recente studio cinese ha sviluppato una seta artificiale utilizzando microbi modificati, ottenendo una fibra promettente per applicazioni mediche e aerospaziali

Quanto è difficile replicare certi processi naturali? Dovremmo chiederlo agli scienziati che da anni studiano la seta di ragno cercando di replicarla in laboratorio per sfruttare le sue straordinarie proprietà. Ora alcuni scienziati cinesi sono riusciti a produrre una seta artificiale che si è dimostrate efficace nel trattare le lesioni cutanee. E questa è solo una delle tante, possibili applicazioni di un materiale dalle grandi potenzialità ma molto difficile da ottenere. Spesso per cercare dei veri superpoteri dobbiamo guardare a quello che fa la natura. Un esempio lo abbiamo visto con i computer ispirati al cervello umano ma, questa volta, la fonte dell’ispirazione sono i ragni e non stiamo parlando di supereroi come Spiderman, ma di ricerche che possono portare a materiali innovativi dalle straordinarie proprietà.

La seta di ragno, infatti, è uno dei materiali più resistenti presenti sulla Terra, più forte dell’acciaio in relazione alle sue dimensioni e più resistente del Kevlar.

Ma a cosa sono dovute queste straordinarie caratteristiche? Nel 2018, scienziati del College of William and Mary in Virginia (USA) studiando un comune tipo di ragno marrone (Loxosceles reclusa) hanno dimostrato per la prima volta che ogni filo della sua seta è, in realtà, composto da migliaia di nanofili o nanofibrille, disposte parallelamente fra loro. Ciascuno di questi sottili nanofili a sua volta è composto da proteine ed è centinaia di migliaia di volte più sottile di un capello umano. Ogni nanofilo, poi, è almeno 50 volte più lungo di quanto è largo e questo, aggiunto alla configurazione in parallelo delle fibre, determina la super robustezza della seta di ragno che risulta circa cinque volte più forte dell’acciaio, quando si tratta del peso che può reggere.

Ma la seta di ragno non è solo un materiale super forte, è anche elastico, leggero e biocompatibile e per questo i suoi possibili utilizzi vanno dalla medicina all’aerospazio. Lo dimostra il fatto che ha attirato l’attenzione della NASA e di Airbus che ne stanno valutando possibili applicazioni nel loro settore. Tuttavia, la produzione in grandi quantità di questo materiale è molto complessa per le difficili condizioni di allevamento dei ragni, troppo territoriali e dai comportamenti estremi (talvolta anche cannibali) per essere allevati come i bachi da seta. Per questo gli sforzi della ricerca si sono concentrati su come produrre una seta sintetica con le stesse caratteristiche di quella naturale, seguendo diversi approcci.

In quello più diffuso i geni responsabili della produzione delle spidroine (le proteine che compongono la seta di ragno) vengono inseriti in organismi ospiti, ad esempio, batteri che così vengono ‘forzati’ a produrre le proteine della seta che poi vengono raccolte e filate.

È un metodo promettente perché consente una produzione su scala più grande, ma non è ancora in grado di riprodurre perfettamente le proprietà della seta naturale. Inoltre presenta il problema che le proteine tendono ad aderire l’una all’altra, riducendo la resa finale della seta e le sue proprietà meccaniche. C’è poi il sistema che utilizza la produzione delle spidroine in bioreattori (apparecchi in cui si inducono reazioni biologiche tramite l’azione di microrganismi, per lo più a fini industriali o per applicazioni biomediche) seguita dalla loro trasformazione in fibre attraverso processi come l’elettrofilatura, cioè il procedimento che crea nanofibre tramite un getto caricato elettricamente di una soluzione o fusione di polimeri. Questo permette di ottenere delle fibre con buona resistenza meccanica e duttilità, anche se non proprio equivalenti alla seta naturale. Un altro sistema, infine, è quello basato su metodi chimici e materiali ibridi nel quale si usano processi chimici per riprodurre le proprietà della seta naturale integrando, però, le sue proteine con polimeri sintetici o creando, attraverso nanomateriali, strutture biomimetiche capaci, cioè, di imitare forme, funzioni e proprietà naturali.

A settembre un gruppo di ricercatori cinesi della Nanjing Tech University ha pubblicato sulla rivista ACS Nano della American Chemical Society i risultati di uno studio nel quale hanno utilizzato una variante del primo metodo per produrre seta artificiale di ragno attraverso un sistema di filatura ad alta efficienza. Per evitare il problema delle proteine che tendono ad aderire fra loro, gli scienziati hanno usato dei microbi per produrre le proteine della seta aggiungendovi però, per la prima volta, anche dei peptidi extra. I peptidi sono catene di amminoacidi, i mattoni costitutivi delle proteine ma, a differenza di queste che possono essere molto grandi e complesse, i peptidi di solito sono costituiti da un numero piuttosto piccolo di amminoacidi, fino a circa 50. I peptidi svolgono una vasta gamma di funzioni biologiche, come il trasporto di segnali cellulari, la regolazione delle funzioni fisiologiche e la partecipazione ai processi immunitari e di riparazione dei tessuti. L’aggiunta di questo ‘ingrediente’ ha aiutato le proteine di seta artificiale a formare una struttura ordinata e ha impedito loro di aderire l’una all’altra, aumentandone la resa finale. L’ultimo passaggio è stato quello di creare una sorta di enorme ragno artificiale e fargli tessere la sua nuova ragnatela. In che modo? Utilizzando piccoli aghi cavi attaccati all’ugello di una stampante 3D, i ricercatori hanno ‘stampato’ la soluzione proteica in sottili fili che poi hanno filato insieme, fino ad ottenere una fibra più spessa.

Questa fibra di seta artificiale è poi stata utilizzata per creare un prototipo di tessuto per medicazioni, biocompatibile e biodegradabile, che è stato applicato a topi da laboratorio affetti da osteoartrite (una malattia degenerativa delle articolazioni) e con ferite croniche causate dal diabete. A queste medicazioni sono stati facilmente aggiunti i farmaci e il risultato, confrontato con un gruppo di topi di controllo dove erano state usate medicazioni tradizionali, è stato inequivocabile: le medicazioni modificate, rispetto a quelle normali, hanno notevolmente aumentato il tasso di guarigione e il recupero delle ferite.

Infatti, i topi con osteoartrite hanno mostrato una riduzione del gonfiore e una riparazione della struttura tissutale dopo solo 2 settimane di trattamento, mentre i topi diabetici con lesioni cutanee hanno mostrato una significativa guarigione dopo 16 giorni di trattamento. Secondo i ricercatori questi risultati sono molto promettenti e lasciano ben sperare per le future applicazioni mediche della seta artificiale.

Ma, come dicevamo, queste non sono certo le sole applicazioni a suscitare l’interesse (se non addirittura l’entusiasmo) dei ricercatori, perché vi sono anche quelle del settore aerospaziale. La NASA, ad esempio, è sempre alla ricerca di nuovi modi per ridurre la quantità di materiale da portare nello spazio per le missioni di lunga durata (come quelle verso Marte) per cui l’idea di ingegnerizzare dei microbi per fargli produrre seta artificiale di ragno, sembra a dir poco allettante.

Un materiale più forte dell’acciaio ma incredibilmente leggero come questo tornerebbe, infatti, molto utile su Marte dove potrebbe essere usato al posto di altri materiali da costruzione ben più pesanti che sarebbero estremamente costosi (oltre che ingombranti) da trasportare dalla Terra. Per non parlare della possibilità di realizzare tute spaziali leggere ma resistenti o, come abbiamo visto, bende e medicazioni per gli astronauti in missione.

Restando più vicino alla Terra, anche Airbus vede grandi potenzialità nella seta di ragno artificiale e intende utilizzarla per creare una nuova generazione di materiali compositi che potrebbero rivoluzionare il design aerospaziale con capacità mai viste prima. Per fare un esempio, basti pensare che una ragnatela di seta artificiale con fibre non più spesse di una matita, potrebbe intrappolare un A350 completamente carico dal peso di circa 200 tonnellate! Così, per esplorare le possibilità offerte da questo materiale, nel 2018 Airbus ha avviato una collaborazione con AMSilk, azienda tedesca leader nel settore biotecnologico e primo produttore al mondo di biopolimeri di seta sintetica. AMSilk utilizza già seta di ragno artificiale in campo medico e cosmetico e ha brevettato un materiale adottato da aziende del livello di Adidas, Omega e Mercede-Benz, mentre prosegue le ricerche sulle proteine della seta di ragno con il supporto del Fraunhofer Institute for Applied Polymer Research.

Nel campo aerospaziale le sperimentazioni sono appena all’inizio ma già se ne intravede una possibile applicazione per la realizzazione di un materiale alternativo alla fibra di carbonio. Sarebbe un risultato strategico perché, negli ultimi anni, l’uso di materiali compositi in fibra di carbonio ha già permesso di ridurre notevolmente il peso degli aerei (e quindi il consumo di carburante), ma la fibra brevettata da AMSilk offre ulteriori margini di miglioramento perché presenta maggiori doti di flessibilità e resistenza agli urti. Come ha sottolineato Detlev Konigorski, Innovation Manager for Emerging Technologies and Concepts di Airbus, è un materiale che “si piega senza perdere forza. Quindi, potrebbe essere integrato su parti lontane dalla fusoliera che sono esposte all’impatto di detriti o all’attacco di uccelli. La seta ha anche notevoli proprietà antibatteriche e quindi potremmo riuscire a integrarla all’interno della cabina di un aereo come materiale più igienico”.

Come si vede, le potenzialità della seta di ragno artificiale sono enormi con applicazioni in molti settori industriali e chi riuscirà a trovare la giusta ‘ricetta’ per produrla e filarla, avrà tra le mani la prossima generazione di materiali intelligenti. Non resta, dunque, che seguire…il filo della ricerca per scoprire dove ci condurrà.

Credits copertina: Envato @yurakrasil

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