{{{sourceTextContent.title}}}

Un proceso microbiano sintético produce fibras musculares más fuertes que el kevlar

{{{sourceTextContent.subTitle}}}

¿Utilizaría usted ropa o, por ejemplo, cordones de zapatos o un cinturón hechos de fibras musculares? ¿Y si esas fibras pudieran soportar más energía antes de romperse que el algodón, la seda, el nailon o incluso el kevlar, y se produjeran sin dañar a ningún animal?

{{{sourceTextContent.description}}}

Investigadores de la Escuela de Ingeniería McKelvey de la Universidad de Washington en San Luis han desarrollado una tecnología de química sintética que podría hacerlo posible. El método les permite polimerizar proteínas en el interior de microbios manipulados. Gracias a esta tecnología, el equipo ha creado una producción microbiana de titina, una proteína muscular de alto peso molecular, que luego se ha hilado en fibras. Las pruebas demostraron que las fibras superaban a muchos polímeros sintéticos y naturales.

"La belleza del sistema es que es una plataforma que puede aplicarse en cualquier lugar", dijo Cameron Sargent, estudiante de doctorado en la división de ciencias biológicas y biomédicas. "Podemos tomar proteínas de diferentes contextos naturales, ponerlas en esta plataforma para su polimerización y crear proteínas más grandes y largas para diversas aplicaciones materiales con una mayor sostenibilidad" Sargent, y el doctor Christopher Bowen, que pertenecía al departamento de ingeniería energética, medioambiental y química, y que ahora es científico senior en Pfizer, son los primeros autores del artículo del equipo en Nature Communications, que se titula "Microbial production of megadalton titin yields fibers with advantageous mechanical properties", en el que concluyen: "Estas fibras tienen aplicaciones potenciales en áreas que van desde la biomedicina hasta los textiles, y el enfoque desarrollado, junto con los conocimientos sobre estructura y función, promete acelerar una mayor innovación en la producción microbiana de materiales de alto rendimiento."

La biología es una gran fuente de inspiración para el diseño de materiales, ya que la naturaleza puede producir muchos materiales biodegradables de alto rendimiento de manera eficiente, a partir de recursos renovables y utilizando sólo procesos de baja energía, señalaron los autores. La seda de los insectos, excepcionalmente resistente, y el biso acuático producido por los mejillones son sólo un par de ejemplos. Y en muchos casos, señalaron los investigadores, "... estos materiales naturales pueden superar a las mejores alternativas disponibles basadas en el petróleo"

No siempre es posible cosechar estos materiales de sus fuentes nativas, y los científicos no siempre pueden generar métodos sintéticos que imiten los procesos biosintéticos naturales a escala. "... se necesitan estrategias de producción microbiana de ingeniería para facilitar el uso práctico y el desarrollo de estos materiales renovables de alto rendimiento", prosigue el equipo.

La proteína muscular sintética producida en el laboratorio del doctor Fuzhong Zhang, profesor del departamento de ingeniería energética, ambiental y química, ha producido ahora la proteína muscular sintética titina, que es uno de los tres principales componentes proteicos del tejido muscular. Para las propiedades mecánicas de la titina es fundamental su gran tamaño molecular. "Es la proteína más grande que se conoce en la naturaleza", dijo Sargent. Las fibras musculares han sido de interés durante mucho tiempo, dijo Zhang. Los investigadores han tratado de diseñar materiales con propiedades similares a las de los músculos para diversas aplicaciones, como en la robótica blanda. "Nos preguntamos: '¿Por qué no hacemos directamente músculos sintéticos?", dijo. "Pero no vamos a extraerlos de animales, sino que utilizaremos microbios para hacerlo"

Los microbios de ingeniería pueden utilizarse para la producción escalable de algunos compuestos de moléculas pequeñas, pero la producción microbiana directa de polímeros con altas prestaciones mecánicas es limitada, ya que muchos materiales naturales de alto rendimiento se basan en proteínas de peso molecular ultra alto (UHMW) con secuencias de aminoácidos muy repetitivas. Estas proteínas repetitivas UHMW son, según los científicos, "extremadamente difíciles de producir en los microbios debido a la inestabilidad genética, la baja eficiencia de la traducción y la carga metabólica"

Para evitar algunos de los problemas que suelen impedir que las bacterias produzcan proteínas de gran tamaño, el equipo de investigación diseñó bacterias para que unieran segmentos más pequeños de la proteína titina y formaran polímeros UHMW de unos dos megadaltons de tamaño, que es unas 50 veces el tamaño de una proteína bacteriana media. A continuación, utilizaron un proceso de hilado en húmedo para convertir las proteínas en fibras de unas diez micras de diámetro, es decir, una décima parte del grosor del cabello humano.

En colaboración con los doctores Young Shin Jun, catedrático del departamento de ingeniería energética, medioambiental y química, y Sinan Keten, catedrático del departamento de ingeniería mecánica de la Universidad Northwestern, el grupo analizó la estructura de estas fibras para identificar los mecanismos moleculares que permiten su combinación única de dureza, resistencia y capacidad de amortiguación excepcionales, es decir, la capacidad de disipar la energía mecánica en forma de calor. Los análisis estructurales sugirieron que estas fibras de titina UHMW contienen pares de dominios similares a las Ig alineados axialmente y uno al lado del otro. "Los análisis estructurales y los modelos moleculares sugieren que estas propiedades se derivan de una cristalización única entre cadenas de dominios plegados similares a las inmunoglobulinas que resiste el deslizamiento entre cadenas al tiempo que permite el despliegue intracadena", escribieron los investigadores.

Afirman que, hasta donde saben, este logro representa el primer ejemplo de un material a macroescala producido a partir de titina. "Aprovechando el poder biosintético de los microbios, este trabajo ha producido un novedoso material de alto rendimiento que recupera no sólo las propiedades mecánicas más deseables de las fibras musculares naturales (es decir, una gran capacidad de amortiguación y una rápida recuperación mecánica), sino también una gran resistencia y dureza, superior incluso a la de muchas fibras naturales y artificiales de alto rendimiento", escriben.

"... los resultados de la modelización sugieren que las excelentes propiedades mecánicas de las fibras de titina UHMW producidas de forma microbiana pueden tener su origen en un emparejamiento único entre fibrillas de dominios plegados similares a las Ig. Este tipo de reticulación no covalente entre cadenas a través de dominios plegados y estirables rara vez se ha explorado en materiales poliméricos orgánicos o en otras fibras producidas por medios microbianos."

Aparte de su posible uso en ropa de fantasía o armaduras protectoras, Sargent señaló que el material podría tener también aplicaciones biomédicas. Al ser casi idéntico a las proteínas que se encuentran en el tejido muscular, este material sintético es presumiblemente biocompatible y, por tanto, podría ser un gran material para suturas, ingeniería de tejidos, etc. "La combinación altamente deseable de propiedades mecánicas, proceso de producción sostenible y biodegradabilidad de la fibra la convierten en una candidata excelente para aplicaciones respetuosas con el medio ambiente en una serie de campos que van desde la biomedicina hasta los textiles comerciales (por ejemplo, materiales antibalísticos, redes, suturas e ingeniería de tejidos)", afirma el equipo.

"Su producción puede ser barata y escalable", añadió Zhang. "Puede permitir muchas aplicaciones en las que la gente había pensado antes, pero con fibras musculares naturales" El equipo de investigación de Zhang no pretende detenerse en la fibra muscular sintética. Es probable que el futuro depare más materiales únicos posibilitados por su estrategia de síntesis microbiana. Bowen, Cameron y Zhang han presentado una solicitud de patente basada en la investigación.

{{medias[43653].title}}

{{medias[43653].description}}