A seda da teia de aranha inspira novas tecnologias e o caso de um criador

Teia de aranha em uma árvore (Imagem gerada por IA em Google Whisk)

por Fazale Rana
28 de novembro de 2018

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Em 14 de dezembro (2018), a Columbia Pictures — em colaboração com a Sony Pictures Animation — lançará um longa-metragem de animação: Homem-Aranha: Através do Aranhaverso. A história apresenta Miles Morales, um adolescente afro-latino, como o Homem-Aranha.

Morales acidentalmente é transportado de seu universo para o nosso, onde Peter Parker é o Homem-Aranha. Parker conhece Morales e o ensina a ser o Homem-Aranha. Ao longo do caminho, eles encontram diferentes versões do Homem-Aranha de dimensões alternativas. Todos eles se unem para salvar o multiverso e encontrar uma maneira de retornar às suas próprias versões da realidade.

O que poderia ser melhor que isso?

Em 1962, os criadores do Homem-Aranha, Stan Lee e Steve Ditko, buscaram inspiração para seu super-herói nas incríveis habilidades das aranhas. E hoje, engenheiros encontram inspiração semelhante, particularmente, quando se trata de seda de aranha. As propriedades notáveis da seda de aranha estão levando à criação de novas tecnologias.

Seda de Aranha Sintética

Engenheiros são fascinados pela seda de aranha porque esse material exibe uma resistência à tração e ductilidade (flexibilidade) surpreendentemente altas, propriedades que permitem que ele absorva grandes quantidades de energia antes de quebrar. Com apenas um sexto da densidade do aço, a seda de aranha pode ser até quatro vezes mais forte, em uma base por peso.

Ao estudar essa substância notável, os engenheiros esperam que possam obter insights e inspiração para projetar materiais de próxima geração. De acordo com o pesquisador da Northwestern University Nathan C. Gianneschi, que está tentando produzir versões sintéticas de seda de aranha, “Não se pode exagerar o impacto potencial em materiais e engenharia se pudermos replicar sinteticamente o processo natural para produzir fibras artificiais em escala. Simplificando, seria transformador.” [1]

Gregory P. Holland, da Universidade Estadual de San Diego, um dos colaboradores de Gianneschi, afirma: “As aplicações práticas para materiais como este são essencialmente ilimitadas”. [2] Como um caso em questão, versões sintéticas de seda de aranha poderiam ser usadas para fazer tecidos para militares e socorristas e para fazer materiais de construção como cabos. Elas também teriam utilidade biomédica e poderiam ser usadas para produzir plásticos ecologicamente corretos.

A Busca pela Criação de Seda de Aranha Sintética

Mas as coisas não são tão simples assim. Embora os cientistas da vida e engenheiros entendam a estrutura química da seda da aranha e como suas características estruturais influenciam suas propriedades mecânicas, eles não conseguiram criar versões sintéticas dela com o mesmo conjunto de propriedades desejadas.

 

Figura 1: A arquitetura molecular da seda de aranha. As fibras da seda de aranha consistem em proteínas que contêm regiões cristalinas separadas por regiões amorfas. Os cristais se formam a partir de regiões da cadeia proteica que se dobram em estruturas chamadas folhas beta. Essas folhas beta se empilham para dar à seda de aranha sua resistência à tração. As regiões amorfas dão ductilidade às fibras de seda. (imagem de Chen-Pan Liao em Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0)

Pesquisadores trabalhando para criar seda de aranha sintética especulam que o processo pelo qual a aranha fiar a seda pode desempenhar um papel crítico no estabelecimento da resistência à tração e ductilidade do biomaterial. Antes de ser extrudada, a seda existe em uma forma precursora na glândula da seda. Pesquisadores acham que a chave para gerar seda de aranha sintética com as mesmas propriedades da seda de aranha formada naturalmente pode ser encontrada imitando a estrutura das proteínas da seda na forma precursora.

Trabalhos anteriores sugerem que as proteínas que compõem a seda da aranha existem como micelas simples na glândula da seda e que, quando fiadas dessa forma, fibras com resistência maior que a do aço são formadas. Mas as tentativas dos pesquisadores de aplicar essa percepção em um ambiente de laboratório falharam em produzir seda sintética com as propriedades desejadas.

A Estrutura dos Precursores da Seda da Aranha

Esperando ajudar a desvendar esse problema, uma equipe de colaboradores americanos liderada por Gianneschi e Holland recentemente forneceu uma caracterização detalhada da estrutura dos precursores da proteína da seda nas glândulas de aranha. [3] Eles descobriram que as proteínas da seda formam micelas, mas as micelas não são simples. Em vez disso, elas se reúnem em uma estrutura complexa composta por uma hierarquia de subdomínios. Os pesquisadores também aprenderam que quando eles cisalhavam essas nanomontagens de proteínas precursoras, as fibras se formavam. Se eles puderem replicar essas nanoestruturas hierárquicas no laboratório, os pesquisadores acreditam que podem ser capazes de construir seda de aranha sintética com a tão procurada resistência à tração e ductilidade.

Biomimética e Bioinspiração

Tentativas de encontrar inspiração para novas tecnologias não se limitam à seda de aranha. Tornou-se bastante comum para engenheiros empregar insights da biologia de artrópodes (que inclui aranhas e insetos) para resolver problemas de engenharia e inspirar a invenção de novas tecnologias — até mesmo tecnologias diferentes de tudo o que é encontrado na natureza. Na verdade, eu discuto essa prática em um ensaio com o qual contribuí para o livro God & the World of Insects (Deus e o mundo dos insetos).

Esta atividade se enquadra no domínio de duas áreas relativamente novas e empolgantes da engenharia, conhecidas como biomimética e bioinspiração. Como os nomes indicam, a biomimética envolve imitação direta de designs da biologia, enquanto a bioinspiração depende de revelações da biologia para orientar o empreendimento de engenharia.

O Argumento Inverso do Relojoeiro para a Existência de Deus

A ideia de que designs biológicos podem inspirar avanços de engenharia e tecnologia é altamente provocativa. Ela destaca os designs elegantes encontrados em todo o reino vivo. No caso da seda de aranha, a elegância do design não se limita à estrutura da seda de aranha, mas se estende ao seu processo de fabricação também — um que ainda não pode ser duplicado por engenheiros.

A elegância desses designs torna possível um novo argumento para a existência de Deus — um que eu chamei de argumento inverso do Relojoeiro. (Para uma discussão detalhada, veja o ensaio com o qual contribuí para o livro Building Bridges (Construindo pontes), intitulado “The Inspirational Design of DNA” {O inspirador design do DNA}.)

O argumento pode ser declarado assim: se os designs biológicos são o trabalho de um Criador, então esses sistemas devem ser tão bem projetados que podem servir como modelos de engenharia para inspirar o desenvolvimento de novas tecnologias. De fato, esse cenário é o que os cientistas observam na natureza. Portanto, torna-se razoável pensar que os designs biológicos são o trabalho de um Criador.

Biomimética e o Desafio ao Paradigma Evolutivo

Em minha perspectiva, o uso de designs biológicos para orientar esforços de engenharia parece fundamentalmente em desacordo com a teoria evolucionária. Em termos gerais, biólogos evolucionistas veem sistemas biológicos como produtos de um processo não guiado e historicamente contingente que coopta sistemas preexistentes para montar grosseiramente novos. Mecanismos evolucionários podem otimizar esses sistemas, mas mesmo assim eles são, em essência, ainda sistemas de peças mal combinadas.

Dada a natureza não guiada dos mecanismos evolucionários, faz sentido para engenheiros confiarem em sistemas biológicos para resolver problemas e inspirar novas tecnologias? Está em alinhamento com as crenças evolucionárias construir uma subdisciplina inteira de engenharia imitando designs biológicos? Eu argumentaria que essas subdisciplinas de engenharia não se encaixam no paradigma evolucionário.

Por outro lado, a biomimética e a bioinspiração fluem naturalmente de uma abordagem de modelo de criação para a biologia. Usar designs na natureza para inspirar engenharia só faz sentido se esses designs surgirem de uma Mente inteligente, seja neste universo ou em qualquer uma das dimensões do Aranhaverso.

Recursos

{Os artigos já foram publicados traduzidos aqui no blog}
 

• God & the World of Insects (Deus e o mundo dos insetos) (cap. 8) editado por Josh Shoemaker e Gary Braness (livro)
• Building Bridges: Presentations on RTB’s Testable Creation Model (Construindo Pontes: Apresentações sobre o Modelo Criacionista Testável de RTB) por Fazale Rana, Anjeanette Roberts e Jeff Zweerink (livro)
• “Fique esperto com as sedas sintéticas de aranha” por Katie Galloway (artigo)
• “A estrada menos percorrida não é para formigas” por Katie Galloway (artigo)
• “Besouros inspiram uma inovação na engenharia” por Fazale Rana (artigo)
• “Vaga-lumes inspiram LEDs melhores” por Jeff Zweerink (artigo)
• “Descoberta de cera de ouvido dá nova audiência ao caso do DI” por Fazale Rana (artigo)
• “Muco de mixinas expande o caso de um criador” por Fazale Rana (artigo)
• “Musa dos engenheiros: O design de sistemas bioquímicos” por Fazale Rana (artigo)

Notas de Fim

1. Northwestern University, “Mystery of How Black Widow Spiders Create Steel-Strength Silk Webs further Unravelled”, Phys.org, Science X, 22 de outubro de 2018, https://phys.org/news/2018-10-mystery-black-widow-spiders-steel-strength.html.
2. Northwestern University, “Mystery of How Black Widow Spiders Create.”
3. Lucas R. Parent et al., “Hierarchical Spidroin Micellar Nanoparticles as the Fundamental Precursors of Spider Silks”, Proceedings of the National Academy of Sciences USA (outubro 2018), doi:10.1073/pnas.1810203115.

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Traduzido de Spider Silk Inspires New Technology and the Case for a Creator (RTB)

Etiquetas:

argumento do relojoeiro - design inspirado na natureza - maravilha da Criação de Deus - design divino - designs da natureza - bioquímica