Fique esperto com as sedas sintéticas de aranha
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| Teia de aranha (Imagem gerada por IA - Kaz em NightCafé Studio) |
por Katie Galloway
26 de março de 2010
Na comédia Get Smart de 2008, Maxwell Smart, também conhecido como Agente 86, está armado com uma série de dispositivos espiões malucos, incluindo uma arma de agarrar equipada com uma linha de seda de aranha super forte. Os técnicos da CONTROL explicam a Smart como eles fizeram esse cabo leve, mas resistente: "É uma tecnologia demorada e trabalhosa. As aranhas precisam ser ordenhadas individualmente (...) e elas não gostam disso!"
A seda de aranha há muito tempo representa o Santo Graal dos materiais biomiméticos. Em peso, esse fio é três vezes mais forte que o aço. No entanto, como aludido pelos técnicos em Get Smart, nossa “incapacidade de domesticar aranhas levou a inúmeras tentativas de fabricar artificialmente sedas de aranha 'cabo de reboque' para aplicações industriais e médicas”. [1] Em outras palavras, a luta contra aranhas nunca foi uma profissão viável.
Superar o desafio da bioengenharia de sintetizar sedas de aranha tem se mostrado difícil em muitos níveis. Primeiro, há o desafio de isolar e clonar os genes da seda de aranha. Dado o alto número de regiões repetitivas que dão às sedas sua força e elasticidade, as estratégias tradicionais de clonagem são propensas ao fracasso. Segundo, uma vez que esses genes foram clonados dentro de hospedeiros bacterianos, expressar e coletar as proteínas não é uma questão simples. A maioria das bactérias não é otimizada para lidar com sequências altamente repetitivas e, consequentemente, gera versões truncadas dessas proteínas. Terceiro, mesmo depois que as proteínas são expressas e purificadas, elas não são seda de aranha, mas apenas uma gota de proteína com potencial chamada de "drogas de seda não fiadas".
Uma vez que as aranhas têm sua seda não fiada armazenada em suas glândulas, elas a fiam puxando-a através de uma glândula estreita chamada spinarette em um processo que os engenheiros chamam de extrusão. Ao extrudar a seda, a água é removida da seda enquanto a seda faz a transição de um gel para uma fibra sólida com cerca de 2,5–4 mícrons de espessura (cerca de 30 vezes mais fina do que a largura de um fio de cabelo humano). As aranhas são exclusivamente equipadas para fiar esses poderosos fios finíssimos, mas até agora a fiação sintética por extrusão gerou fios que não são menores do que 10–60 mícrons de espessura.
Apesar dos desafios, as propriedades incríveis desses biomateriais os tornam um alvo atraente para bioengenheiros. As sedas de aranha não são apenas altamente elásticas, leves e extremamente fortes, algumas até demonstraram facilitar o recrescimento nervoso em células de mamíferos. Consequentemente, equipes de pessoas ao redor do país e do mundo continuam trabalhando para gerar sedas de aranha sintéticas.
Em uma das tentativas recentes mais promissoras, uma equipe internacional descreveu como eles geraram e fiaram proteínas recombinantes semelhantes a aranhas. As proteínas da seda de aranha alternam em composição entre regiões cristalinas e amorfas. A sequência exata dessas regiões determina as propriedades mecânicas da seda de aranha. Começando com domínios cristalinos flanqueados por regiões elásticas e helicoidais semelhantes à seda de aranha, os pesquisadores clonaram várias proteínas em vetores de expressão de Escherichia coli. Eles foram então capazes de expressar (produzir) as proteínas da seda introduzindo esses cassetes de DNA chamados vetores no hospedeiro bacteriano E. coli. Para permitir a diversidade de sequência e fácil aumento de escala, os pesquisadores usaram um truque especial de clonagem para tornar a clonagem repetitiva dessas subunidades simples. Esse esquema bacana permitiu que eles "misturassem e combinassem" domínios para criar uma ampla gama de combinações de proteínas a partir das subunidades.
Para purificar as proteínas semelhantes à seda da aranha de todas as outras proteínas produzidas pelas bactérias, a equipe clonou uma sequência especial de proteína removível chamada de poli-histidina-apêndice no final da proteína. Essa sequência de dez aminoácidos de histidina se liga a metais como níquel e cobalto. As proteínas da seda foram separadas da maior parte das proteínas celulares por meio de um processo chamado cromatografia de afinidade de metal imobilizado (IMAC). Executar os lisados celulares (células quebradas e abertas) sobre uma resina de níquel com o apêndice de histidina imobiliza as proteínas semelhantes à seda na coluna enquanto as proteínas não específicas são lavadas. As proteínas semelhantes à seda foram então recuperadas pela adição de uma solução de protease que as liberou do apêndice de histidina ligado à coluna.
A equipe então dissolveu as proteínas em água deionizada e HFIP (Hexafluoro-2-propano), um solvente orgânico comumente usado para solubilizar biopolímeros. A “massa” de seda foi extrudada através de uma spinarette de aço inoxidável em um banho de isopropanol para criar fibras uniformes semelhantes à seda de aranha. Esse processo levou apenas quarenta dias do início ao fim, mas seria mais longo se os pesquisadores quisessem mais de dois domínios "mix-n-matched"* na seda final. Uma vez, porém, que a sequência desejada é clonada em vetores bacterianos, o processo de coleta e fiação pode ser concluído em aproximadamente 15 dias.
Encontrar maneiras de produzir prontamente sedas semelhantes às de aranhas continuará sendo um tópico quente nos campos da biomimética e dos biomateriais. O valor desse material especial, combinado com a dificuldade encontrada pelos domadores de aranhas em obter sedas naturais, exige uma alternativa sintética. Entretanto, à medida que aprendemos com a natureza e tentamos repetir as maravilhas encontradas nela, a complexidade das soluções é surpreendente. Uma simples aranha de jardim pode conseguir em minutos o que equipes de pessoas usando produtos químicos tóxicos e protocolos rigorosos levam semanas para realizar. Até os filmes de Hollywood reconhecem o desafio de fazer seda de aranha.
Mas as aranhas não precisam de uma série de técnicos e cientistas para capturar sua próxima refeição. Deus as dotou de habilidades únicas para cumprir seu papel como predadoras do mundo dos insetos. Ao aprender com a natureza, não apenas podemos obter novas tecnologias para beneficiar a humanidade, mas podemos ver como Deus proveu até mesmo para as criaturas mais humildes, concedendo-lhes características extraordinárias. Em Mateus 6, Jesus nos lembra o quão valiosos somos em comparação aos pássaros e às flores. À luz de como o Criador proveu para as aranhas, podemos parafrasear a analogia: "Considere as aranhas do sótão e da natureza, elas não têm treinamento formal, mas tecem belas teias que lhes rendem o jantar. Quanto mais Deus proverá para você, não?"
26 de março de 2010
Na comédia Get Smart de 2008, Maxwell Smart, também conhecido como Agente 86, está armado com uma série de dispositivos espiões malucos, incluindo uma arma de agarrar equipada com uma linha de seda de aranha super forte. Os técnicos da CONTROL explicam a Smart como eles fizeram esse cabo leve, mas resistente: "É uma tecnologia demorada e trabalhosa. As aranhas precisam ser ordenhadas individualmente (...) e elas não gostam disso!"
A seda de aranha há muito tempo representa o Santo Graal dos materiais biomiméticos. Em peso, esse fio é três vezes mais forte que o aço. No entanto, como aludido pelos técnicos em Get Smart, nossa “incapacidade de domesticar aranhas levou a inúmeras tentativas de fabricar artificialmente sedas de aranha 'cabo de reboque' para aplicações industriais e médicas”. [1] Em outras palavras, a luta contra aranhas nunca foi uma profissão viável.
Superar o desafio da bioengenharia de sintetizar sedas de aranha tem se mostrado difícil em muitos níveis. Primeiro, há o desafio de isolar e clonar os genes da seda de aranha. Dado o alto número de regiões repetitivas que dão às sedas sua força e elasticidade, as estratégias tradicionais de clonagem são propensas ao fracasso. Segundo, uma vez que esses genes foram clonados dentro de hospedeiros bacterianos, expressar e coletar as proteínas não é uma questão simples. A maioria das bactérias não é otimizada para lidar com sequências altamente repetitivas e, consequentemente, gera versões truncadas dessas proteínas. Terceiro, mesmo depois que as proteínas são expressas e purificadas, elas não são seda de aranha, mas apenas uma gota de proteína com potencial chamada de "drogas de seda não fiadas".
Uma vez que as aranhas têm sua seda não fiada armazenada em suas glândulas, elas a fiam puxando-a através de uma glândula estreita chamada spinarette em um processo que os engenheiros chamam de extrusão. Ao extrudar a seda, a água é removida da seda enquanto a seda faz a transição de um gel para uma fibra sólida com cerca de 2,5–4 mícrons de espessura (cerca de 30 vezes mais fina do que a largura de um fio de cabelo humano). As aranhas são exclusivamente equipadas para fiar esses poderosos fios finíssimos, mas até agora a fiação sintética por extrusão gerou fios que não são menores do que 10–60 mícrons de espessura.
Apesar dos desafios, as propriedades incríveis desses biomateriais os tornam um alvo atraente para bioengenheiros. As sedas de aranha não são apenas altamente elásticas, leves e extremamente fortes, algumas até demonstraram facilitar o recrescimento nervoso em células de mamíferos. Consequentemente, equipes de pessoas ao redor do país e do mundo continuam trabalhando para gerar sedas de aranha sintéticas.
Em uma das tentativas recentes mais promissoras, uma equipe internacional descreveu como eles geraram e fiaram proteínas recombinantes semelhantes a aranhas. As proteínas da seda de aranha alternam em composição entre regiões cristalinas e amorfas. A sequência exata dessas regiões determina as propriedades mecânicas da seda de aranha. Começando com domínios cristalinos flanqueados por regiões elásticas e helicoidais semelhantes à seda de aranha, os pesquisadores clonaram várias proteínas em vetores de expressão de Escherichia coli. Eles foram então capazes de expressar (produzir) as proteínas da seda introduzindo esses cassetes de DNA chamados vetores no hospedeiro bacteriano E. coli. Para permitir a diversidade de sequência e fácil aumento de escala, os pesquisadores usaram um truque especial de clonagem para tornar a clonagem repetitiva dessas subunidades simples. Esse esquema bacana permitiu que eles "misturassem e combinassem" domínios para criar uma ampla gama de combinações de proteínas a partir das subunidades.
Para purificar as proteínas semelhantes à seda da aranha de todas as outras proteínas produzidas pelas bactérias, a equipe clonou uma sequência especial de proteína removível chamada de poli-histidina-apêndice no final da proteína. Essa sequência de dez aminoácidos de histidina se liga a metais como níquel e cobalto. As proteínas da seda foram separadas da maior parte das proteínas celulares por meio de um processo chamado cromatografia de afinidade de metal imobilizado (IMAC). Executar os lisados celulares (células quebradas e abertas) sobre uma resina de níquel com o apêndice de histidina imobiliza as proteínas semelhantes à seda na coluna enquanto as proteínas não específicas são lavadas. As proteínas semelhantes à seda foram então recuperadas pela adição de uma solução de protease que as liberou do apêndice de histidina ligado à coluna.
A equipe então dissolveu as proteínas em água deionizada e HFIP (Hexafluoro-2-propano), um solvente orgânico comumente usado para solubilizar biopolímeros. A “massa” de seda foi extrudada através de uma spinarette de aço inoxidável em um banho de isopropanol para criar fibras uniformes semelhantes à seda de aranha. Esse processo levou apenas quarenta dias do início ao fim, mas seria mais longo se os pesquisadores quisessem mais de dois domínios "mix-n-matched"* na seda final. Uma vez, porém, que a sequência desejada é clonada em vetores bacterianos, o processo de coleta e fiação pode ser concluído em aproximadamente 15 dias.
* N. do R. T.: mix-n-match se refere a uma combinação de elementos diferentes, com a proposta de gerar resultados surpreendentes (Roca Cerâmica)
Encontrar maneiras de produzir prontamente sedas semelhantes às de aranhas continuará sendo um tópico quente nos campos da biomimética e dos biomateriais. O valor desse material especial, combinado com a dificuldade encontrada pelos domadores de aranhas em obter sedas naturais, exige uma alternativa sintética. Entretanto, à medida que aprendemos com a natureza e tentamos repetir as maravilhas encontradas nela, a complexidade das soluções é surpreendente. Uma simples aranha de jardim pode conseguir em minutos o que equipes de pessoas usando produtos químicos tóxicos e protocolos rigorosos levam semanas para realizar. Até os filmes de Hollywood reconhecem o desafio de fazer seda de aranha.
Mas as aranhas não precisam de uma série de técnicos e cientistas para capturar sua próxima refeição. Deus as dotou de habilidades únicas para cumprir seu papel como predadoras do mundo dos insetos. Ao aprender com a natureza, não apenas podemos obter novas tecnologias para beneficiar a humanidade, mas podemos ver como Deus proveu até mesmo para as criaturas mais humildes, concedendo-lhes características extraordinárias. Em Mateus 6, Jesus nos lembra o quão valiosos somos em comparação aos pássaros e às flores. À luz de como o Criador proveu para as aranhas, podemos parafrasear a analogia: "Considere as aranhas do sótão e da natureza, elas não têm treinamento formal, mas tecem belas teias que lhes rendem o jantar. Quanto mais Deus proverá para você, não?"
Notas de Fim
- Florence Teul et al., “A Protocol for the Production of Recombinant Spider Silk-Like Proteins for Artificial Fiber Spinning”, Nature Protocols 4 (1º de fevereiro de 2009): 341–55.
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Traduzido de Get Smart about Synthetic Spider Silks (RTB)
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argumento do relojoeiro - Criação de Deus - bioengenharia/engenhosidade divina - maravilha da Criação
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