Gli scienziati tessono la seta sintetica del ragno come tessuto del futuro
I ragni possono dare i brividi ad alcune persone, ma gli aracnidi che tessono ragnatele producono un materiale unico e versatile che potrebbe essere il tessuto del futuro.
Producono una seta resistente come l'acciaio, incredibilmente elastica e rispettosa dell'ambiente.
Dai materiali medici ai componenti automobilistici, le applicazioni di questo meraviglioso materiale sono infinite-ma Produrlo in grandi quantità è complicato.
I tentativi di allevare ragni per i propri figli sono generalmente andati a vuoto, soprattutto perché i ragni sono cannibali ferocemente territoriali e le repliche di ragni coltivate in laboratorio hanno faticato a eguagliare la forza degli esemplari veri, almeno fino ad ora.
Un team di scienziati giapponesi ha finalmente svelato il mistero di come i ragni riescano a tessere fili super resistenti e riesce a ricreare il processo con materiali sintetici.
Con le aziende biotecnologiche desiderose di produrre in serie queste sete sintetiche come alternative sostenibili al nylon, al poliestere e ad altri tessuti derivati dal petrolio, il futuro dei tessuti di ragno appare luminoso.
Docce di meraviglia
La seta di ragno presenta una combinazione unica di resistenza alla trazione ed elasticità che ha affascinato gli scienziati per secoli.
Gli aracnidi producono diversi tipi di seta per scopi diversi, tra cui creare ragnatele, avvolgere le prede, proteggere la prole e sfuggire ai predatori.
Queste setole sono tutte diverse tra loro e vengono prodotte in ghiandole diverse.
Tra queste varietà, le "driglie", che i ragni usano per oscillare e muoversi, sono particolarmente interessanti per i ricercatori.
Si dice che le draghe abbiano una resistenza alla trazione superiore a 1 gigapascal, paragonabile a quella dell'acciaio e più del doppio di quella della seta del baco da seta.
Inoltre, le draghe sono resistenti e riescono ad assorbire il doppio dell'energia prima di rompersi rispetto al nylon, che è tra i materiali più resistenti.
L'idea di mettere a frutto questo meraviglioso materiale non è nuova.
All'inizio del XVIII secolo, in Francia, un ricercatore realizzò un paio di guanti e altri oggetti utilizzando la seta di ragno; inoltre, tessuti di seta di ragno naturalmente dorati erano tra gli oggetti esposti all'Esposizione universale di Parigi del 1900.
Sebbene i tentativi di coltivare ragni come i bachi da seta si siano rivelati impraticabili, la produzione in serie di seta di ragno sintetica è diventata il Santo Graal per gli scienziati dei materiali.
I ricercatori hanno identificato le principali proteine che compongono le fibre della seta del ragno e hanno sviluppato microrganismi geneticamente modificati in grado di produrre queste proteine.
La seta di ragno artificiale realizzata in questo modo ha un'impronta di carbonio notevolmente inferiore rispetto ai tessuti realizzati in poliestere, nylon, piante o animali.
Tuttavia, mentre le proteine coltivate in laboratorio imitavano la struttura e le proprietà della seta naturale del ragno, i fili sintetici erano notevolmente meno resistenti perché gli scienziati non avevano ancora compreso appieno come il processo di filatura trasforma le proteine della seta naturale all'interno del corpo di un ragno dallo stato liquido in fibre solide.
La grande svolta
Un team di ricerca giapponese guidato da Keiji Numata, professore di chimica dei polimeri all'Università di Kyoto, ha finalmente decifrato questo codice.
Nel 2024, il team di Numata è diventato il primo al mondo a replicare artificialmente il complesso processo di trasformazione, senza sapere come le proteine depositate nelle principali ghiandole ampullate dei ragni si solidifichino in fibre quando vengono rilasciate dai loro dotti rotanti.
La scoperta ha dimostrato che gli ioni fosfato svolgono un ruolo cruciale nella raccolta delle molecole proteiche per formare piccoli granuli nelle regioni superiori della ghiandola ampullata principale del ragno.
Mentre queste proteine si muovono lungo il dotto rotante, vengono unite dagli ioni idrogeno, che le fanno solidificare e trasformare nella struttura a rete che rende la seta del ragno così resistente e flessibile.
"Ora comprendiamo a livello molecolare come la seta di ragno, un materiale polimerico naturale, viene prodotta all'interno del corpo del ragno, quindi possiamo applicare questa conoscenza alla progettazione di materiali sintetici", ha affermato Numata.
La seta di ragno sintetica ha una vasta gamma di potenziali applicazioni, tra cui usi medici e come materiale ammortizzante nei veicoli e nei materiali strutturali per gli edifici.
Tuttavia, il materiale presenta uno svantaggio che deve essere affrontato prima che possa raggiungere il suo pieno potenziale: la vulnerabilità all'acqua e all'umidità.
I fili di seta di ragno si espandono quando assorbono acqua e si restringono quando si asciugano.
Numata intende superare questo ostacolo modificando le sequenze di amminoacidi delle proteine della seta del ragno, per rendere i fili sintetici più resistenti all'acqua e più adatti all'uso pratico.
"Un giorno potremmo inventare una seta di ragno artificiale che potrebbe superare le prestazioni di quella naturale grazie a sequenze di amminoacidi alterate", ha affermato.
Tessuti fermentati
Anche Spiber Inc., una startup biotecnologica con sede a Yamagata fondata nel 2007, ha dovuto superare il "problema dell'acqua" per produrre in serie seta di ragno artificiale per usi pratici.
Spibre ha sviluppato un metodo per produrre proteine simili alla seta di ragno, denominato Qmonos, progettando nuove sequenze di amminoacidi della proteina della seta di ragno e introducendo il DNA alterato nei microrganismi in grado di produrre queste proteine.
Tuttavia, Qmonos, il cui nome deriva dalla parola giapponese "Kumonosu" che indica le ragnatele, è rimasto sensibile all'umidità perché le modifiche apportate dall'azienda alle sequenze del DNA sono state minime.
Spibre è stato migliorato modificando le sequenze di amminoacidi delle proteine per migliorare la risposta del materiale all'acqua.
Spibre Mass produce seta sintetica nutrendo con zucchero di origine vegetale i suoi microrganismi bioingegnerizzati, i quali creano proteine della seta attraverso un processo di fermentazione.
Il materiale prodotto con questo metodo, denominato proteina fermentata, è stato utilizzato per realizzare indumenti, sedili per auto e altri prodotti.
Un altro vantaggio della seta di ragno sintetica è la sua bassa impronta di carbonio rispetto al nylon e al poliestere, comunemente utilizzati per realizzare vestiti, borse e scarpe.
La Conferenza delle Nazioni Unite sul commercio e lo sviluppo ha definito l'industria dell'abbigliamento e della moda il secondo maggiore inquinatore dopo l'industria petrolifera.
L'industria della moda utilizza circa 93 miliardi di metri cubi di acqua all'anno, sufficienti a soddisfare il fabbisogno di 5 milioni di persone.
Secondo il Programma delle Nazioni Unite per l'ambiente, una percentuale compresa tra il due e l'otto percento delle emissioni globali di gas serra proviene dalla produzione di abbigliamento.
Inoltre, le fibre sintetiche ricavate dalla plastica non sono biodegradabili e persistono nell'ambiente per decenni. Lavare i vestiti di plastica rilascia anche minuscole fibre chiamate microplastiche che inquinano gli oceani.
Sebbene le fibre naturali come il cotone siano biodegradabili, la loro produzione richiede grandi quantità di acqua e pesticidi. Parte della produzione di cotone proviene da regioni con risorse idriche limitate, dove gli effetti del cambiamento climatico possono essere devastanti.
Al contrario, la proteina infiltrata è ricavata da fonti rinnovabili e ha un impatto ambientale inferiore durante tutto il suo ciclo di vita, dalla produzione allo smaltimento, secondo Spibre.
La produzione di proteine artificiali di ragno emette il 79% in meno di gas serra e utilizza il 97% in meno di acqua rispetto alla produzione di fibre di cashmere, ha aggiunto l'azienda.
Tuttavia, la seta sintetica del ragno è costosa da produrre, almeno per ora.
Spibre sta cercando di superare questo ostacolo ideando un metodo per produrre più proteine sintetiche con quantità ridotte di zucchero.
"Stiamo lavorando per fornire materiale di alta qualità e a basso costo, migliorando la produttività dei microrganismi produttori di seta", ha affermato un funzionario della Spiber.
