Come fanno i ragni a filare la loro seta?

Il segreto è nella liquid-liquid phase separation, nelle spidroine e nel pH

[3 Dicembre 2020]

Di tutti gli argomenti interessanti nel campo della ricerca sui materiali e della biochimica, uno dei più intriganti  in assoluto è quello di riuscire a svelare i misteri della seta di ragno, Si dice spesso che la seta filata dai ragni sia più forte dell’acciaio e le sue fibre a base di proteine potrebbero potenzialmente cambiare il mondo dei materiali così come lo conosciamo. Tuttavia, nonostante decenni di ricerca, nessuno è stato ancora in grado di produrre in serie la seta di ragno, soprattutto perché non sappiamo ancora esattamente come i ragni riescano a produrla.

In un passo verso la soluzione di questo mistero lo ha fatto lo studio “Spider silk self-assembly via modular liquid-liquid phase separation and nanofibrillation”, pubblicato su Science Advances  da un team di ricercatori giapponesi del Biomacromolecules Research Team del RIKEN Center for Sustainable Resource Science e delle università di Keio e di Kyoto, che presenta un nuovo modello per l’assemblaggio della seta di ragno ed evidenzia che «La chiave per la “filatura” della seta di ragno è una combinazione di acidificazione e un processo noto come liquid-liquid phase separation, o LLPS».

Il principale autore dello studio  Ali D Malay del RIKEN Center, spiega che “La seta del ragno è composta da proteine ​​chiamate spidroine. Il ragno ha una ghiandola che è densamente riempita di spidroine nel suo stato liquido chiamata dope. Questo liquido viene rapidamente convertito nella seta dura e strutturalmente complessa. Per indagare su come esattamente venga fatto questo, abbiamo deciso di tornare al tavolo da laboratorio e guardare le spidroine stesse. Così abbiamo sviluppato spidroine artificiali che imitano da vicino quelle che si trovano in natura».

I ricercatori della Graduate School of Engineering dell’università di Kyoto evidenziano che «Lo sviluppo della proteina non è stato un compito facile», ma ci sono riusciti a utilizzando la MaSp2, una delle più comuni proteine ​​della seta di ragno, e che è solubile in acqua. Dopo aver isolato una proteina artificiale della seta di ragno, il team giapponese ha iniziato a osservare come si comportava in diverse condizioni chimiche, cercando di capire quali cambiamenti chimici chiave sono necessari perché la fase liquida diventi solida.

Malay spiega ancora: »Abbiamo visto per la prima volta la proteina che si raccoglieva in piccoli grappoli. Ma quando abbiamo aggiunto fosfato di potassio ha iniziato immediatamente a condensarsi in grandi goccioline ad alta densità. Questo è un fenomeno noto come liquid-liquid phase separation – avviene abbastanza spesso nelle cellule – ed è quando le goccioline di liquido cambiano dimensione e densità in base all’ambiente circostante».

Ma la LLPS era solo una parte del puzzle: i ricercatori dovevano ancora capire cosa ci vuole per trasformare questa fase liquida nelle fibre di seta della tela dei ragni e dicono che «La chiave era il pH. Quando abbiamo abbassato il pH della soluzione, i globuli hanno iniziato a fondersi insieme, formando una sottile rete di fibre. Sia l’LLPS che la formazione della rete in fibra sono avvenuti così spontaneamente da essere visibili in tempo reale. Inoltre, quando la rete in fibra è stata sottoposta a stress meccanico, ha iniziato a organizzarsi in una struttura gerarchica proprio come la seta di ragno».

Il capo del team di ricerca, Keiji Numata del Department of Material Chemistry dell’università di Kyoto, conclude: «La seta di ragno supera spesso gli odierni materiali artificiali più avanzati e la fabbricazione di queste fibre sintetiche spesso si basa su solventi organici nocivi e alte temperature. Quello che qui è incredibile è che siamo stati in grado di formare la seta di ragno usando l’acqua come solvente e a temperatura ambiente. Se possiamo imparare a emulare i meccanismi della filatura della seta di ragno, questo potrebbe avere un profondo impatto sul futuro del settore manufatturiero».