Seda de aranha bioengenharia sem criaturas

A seda de aranha tem sido apontada como o padrão ouro de materiais à base de fibra. Para superar a necessidade de aranhas, diversas empresas estão projetando genes de seda para fornecer materiais de bioseda (Tabela 1). Com ferramentas de biologia sintética, os cientistas estão produzindo um novo tipo de biopolímero que está entrando em dispositivos implantáveis, cosméticos, engenharia de tecidos e até calçados esportivos. O Biosilk não é apenas mecanicamente superior à proteína da teia de aranha da natureza, mas também é quase invisível para o sistema imunológicobiocompatível e biodegradável: uma constelação de atributos ecologicamente corretos que estão preparados para contribuir para muitas indústrias.

Durante décadas, os cientistas de materiais consideraram a seda de aranha como um substituto ecológico para fibras sintéticas como náilon e Kevlar. Mas o custo e a escalabilidade impediram a comercialização da seda de aranha. A sequência completa de uma aranha tecedora de orbes (Nephila clavipes) genoma em 2017 destacou a diversidade nos genes da seda das aranhas que dão origem a diferentes tipos de seda. E com esse marco, o potencial de produção comercial ficou mais acessível. Agora, um grupo de empresas de biotecnologia está competindo para produzir seda biossintética sustentável e pretendem que a sua utilização seja omnipresente – não apenas para substituir têxteis, mas em embalagens biodegradáveis, cosméticos, suturas médicas biocompatíveis, pára-quedas e airbags na indústria automóvel.

As aranhas usam suas sedas para predação e habitação, portanto as fibras devem ser elásticas o suficiente para sobreviver em ambientes imprevisíveis. Para permitir isso, as proteínas da seda da aranha conhecidas como espidroínas são compostas de unidades repetidas de aminoácidos GGX (onde G é glicina e X pode ser um dos vários aminoácidos, incluindo glutamina, alanina ou tirosina) para formar uma estrutura cristalina de folha β. . Essas conformações de folha permitem que as cadeias de proteínas sejam alinhadas e compactadas, o que confere à fibra sua resistência à tração. Ao mesmo tempo, as ligações de hidrogénio e outras interacções não covalentes entre as regiões cristalinas da folha β permitem que a fibra mude de forma enquanto é esticada sem perder a sua estrutura integral. Uma camada protetora de cutícula cobre todo o sistema para garantir a robustez da fibra. Esta camada de cutícula tem sido um desafio para as empresas reproduzirem, resultando em muitas fibras produzidas pela bioengenharia que se desintegram rapidamente.

Usando IA e aprendizado de máquina, a AMSilk, uma empresa de biotecnologia com sede em Munique, Alemanha, que atua em parceria com a 21st Bio, adotou uma abordagem puramente sintética, identificando sequências-chave de proteínas de fibra e expressando-as em células de levedura para produzir proteínas sintéticas. Esta plataforma synbio permite-lhes ajustar o comprimento e a funcionalidade da biofibra, ajustando a estrutura genética para se adequar a diferentes aplicações, diz Anders Bendsen Spohr, sócio sénior da Novo Holdings, com sede em Copenhaga, que investiu 29 milhões de euros (31,5 milhões de dólares) na AMSilk.

Para produzir as fibras proteicas, a equipe da AMSilk aumenta a produção em Escherichia coli. “Sabemos como produzir proteínas complexas usando ensaios microbianos de última geração e adaptando biofermentadores de alto volume existentes, originalmente projetados para proteínas simples”, afirma Ulrich Scherbel, CEO da AMSilk, e Per Falholt, cofundador e CSO do provedor de serviços de fermentação 21st Bio. Este método é versátil o suficiente para permitir à empresa fabricar fibras personalizadas para diversos parceiros e aplicações. Um de seus principais produtos é um biosilk que a AMSilk chama de Biosteel, um revestimento biodegradável que pode ser usado em produtos médicos e cosméticos e também faz parte de uma colaboração com a fabricante de calçados esportivos Adidas. A empresa patenteou vários métodos de identificação e fermentação de polímeros proteicos para transformar fibras sintéticas em hidrogéis ou revestimentos em pó ecologicamente corretos.

O aumento de escala continua a ser um desafio para a maioria dos produtos à base de fermentação. De acordo com a liderança da AMSilk e da 21st Bio, os altos custos de produção significam que a AMSilk, como muitas outras empresas de seda de aranha, tem como alvo parceiros de luxo como Mercedes-Benz ou Adidas, pelo menos por enquanto. Os parceiros estão perto de abrir um mercado de valor médio para ampliar a acessibilidade.

Da mesma forma, a Seevix Material Sciences, com sede em Jerusalém, utiliza fermentação de levedura para produzir uma mistura quimérica de proteínas de fibra inspirada em espidroínas. Usando um processo patenteado de automontagem, a fibra SVX é criada quando 20 monômeros de proteínas se reúnem espontaneamente em nanofibrilas maiores. Interações terciárias, como ligações de hidrogênio ou pontes salinas, impulsionam esse processo de automontagem. “Basicamente, nossa estrutura de um biopolímero SVX automontado consiste em cerca de 470.000 proteínas monoméricas”, elabora Shlomzion Shen, CEO da Seevix. A Seevix tem trabalhado para aprimorar a cosmética com sua fibra SVX, especificamente para fortalecer a pele e os cabelos.

Mais recentemente, a empresa produziu SpheroSeev e HydroSeev, fibras que fornecem uma estrutura para células, como câncer ou células-tronco, se reunirem em estruturas 3D e encorajá-las a fazer a transição de uma estrutura 2D para uma estrutura 3D, tornando-as mais fáceis de detectar. sob um microscópio. Essas fibras já ajudaram grupos de pesquisa sobre câncer a detectar e cultivar células cancerígenas em laboratório. SpheroSeev e HydroSeev também são usados ​​para estudos de células-tronco, engenharia de tecidos e até mesmo para o desenvolvimento de carne cultivada.

Enquanto as empresas desenvolvem ativamente os seus produtos de bioseda, novas pesquisas sugerem que as suas propriedades mecânicas poderiam ser melhoradas. Cientistas de materiais da Universidade Donghua em Xangai usaram CRISPR – Cas9 para fazer bichos-da-seda transgênicos que produzem seda de aranha inteira. O uso de bichos-da-seda transgênicos supera um problema principal das aranhas: sua tendência a serem canibais. A proteína resultante, relatam os cientistas, tem 1,3 vezes a elasticidade do náilon e seis vezes a resistência do Kevlar, uma fibra sintética leve e líder, forte o suficiente para parar balas e frequentemente usada em uniformes policiais e militares.

Os cientistas sabem muito pouco sobre os mecanismos de rotação das aranhas e dos bichos-da-seda ou como a sua química interna pode influenciar a resistência e a resistência das fibras. Para compreender melhor os elementos químicos que contribuem para a tenacidade e a resistência à tração da seda, o pesquisador Junpeng Mi, da Universidade Donghua, e seus colaboradores usou tecnologia CRISPR – CAS9 para criar um plasmídeo contendo os genes MiSp, codificando proteínas de seda de aranha, junto com o gene da proteína fluorescente vermelha como marcador. O plasmídeo foi então injetado nos ovos da mariposa do bicho-da-seda, que mais tarde foram examinados quanto à proteína fluorescente vermelha (que fazia seus olhos brilharem em vermelho vivo) para identificar aqueles com uma transformação bem-sucedida. As novas fibras transgênicas foram projetadas com maiores quantidades dos aminoácidos valina, leucina, histidina e arginina, o que resultou em maior resistência à tração e resistência a partir de ligações intermoleculares mais fortes que, no entanto, podiam deslizar para frente e para trás. Este aumento no atrito intermolecular entre as cadeias proteicas resultou em uma fibra com maior resistência à tração até mesmo do que a seda da aranha da casca de Darwin, Caerostris darwini, que detém o recorde de seda mais forte. “Sinto-me orgulhoso e entusiasmado por poder usar a minha educação para fazer uma contribuição tão pequena para o desenvolvimento da humanidade”, diz Mi.