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21 octubre 2022

Spider-Man y los nuevos materiales

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Decía el creador de cómics de Marvel Stan Lee que la inspiración para el personaje de Spider-Man le sobrevino en parte observando a una araña trepando por una pared. Pero el propio Lee reconocía no estar seguro de si la historia era real o si la había inventado, y sus colegas Jack Kirby y Joe Simon le disputaban la autoría del personaje. No es raro que a una creación inmortal le salgan varios padres, sobre todo cuando en realidad la idea parece tan sencilla que se le podría haber ocurrido a cualquiera: un humano con los poderes de una araña. Sin embargo, fuera de la pantalla y del cómic, emular en nuestro mundo real esos poderes que las arañas han obtenido a lo largo de 400 millones de años de evolución es algo mucho más complicado que la ciencia lleva años persiguiendo.

Los humanos hemos utilizado la seda de los gusanos durante miles de años, y algunas comunidades indígenas han sabido explotar la tela de araña: los aborígenes australianos la cosechaban para elaborar hilos y redes de pesca, y hay informes de que en algunos lugares llegaba a tejerse. Pero cuando en 1709 el gobierno francés encargó al naturalista Rene-Antoine Ferchault de Reaumur que consiguiera seda de araña, pronto se reveló que la tarea no era tan fácil. Intentó recolectarla de los saquitos de huevos con el propósito de confeccionar medias y guantes, pero obtuvo muy poca cantidad. Su compatriota François Xavier Bon de Saint Hilaire trató de criar arañas para tal fin, descubriendo que era complicado: en cautividad se comen unas a otras, y es preciso inmovilizarlas para obtener la seda. En 1829 el británico Daniel Bransdon Rolt inventó un ingenioso pero complejo aparato formado por una máquina de vapor y una bobina que recogía la seda de una araña individual; consiguió cosechar miles de metros de hilo.

BBVA-OpenMind-Chaparro-Yanes-Spiderman nuevos materiales_1 La tela de araña es resistente a la temperatura, puede conducir la corriente eléctrica, inhibe el crecimiento bacteriano y es casi invisible para el sistema inmune humano. Crédito: Pierre Bamin
La tela de araña es resistente a la temperatura, puede conducir la corriente eléctrica, inhibe el crecimiento bacteriano y es casi invisible para el sistema inmune humano. Crédito: Pierre Bamin

Pero este y otros intentos históricos, con distinta suerte, se toparon con los mismos problemas, llegando a una única conclusión: la explotación industrial a gran escala era inviable. Y pese a todo, según se iban conociendo con detalle las prodigiosas propiedades de la seda de araña, aumentaba el interés en este material de resistencia similar al acero (mucho mayor a igualdad de masa), pero enormemente elástico y ligero; un hilo que diese la vuelta a la Tierra pesaría menos de medio kilo. 

Además, la tela de araña es resistente a la temperatura, puede conducir la corriente eléctrica, inhibe el crecimiento bacteriano y es prácticamente invisible para el sistema inmune humano, lo que sugiere posibles aplicaciones médicas. Por todo ello, es una de las grandes promesas de los nuevos materiales. Por desgracia, originalmente la dificultad de su obtención la restringió a usos minoritarios y muy específicos, como las líneas de los puntos de mira de las armas telescópicas y los instrumentos ópticos, donde se necesitaba una fibra mucho más fina que un cabello.

Fue con el desarrollo de la biología molecular y de los modernos instrumentos de laboratorio cuando se reavivó el propósito de explotar las propiedades de la telaraña. Pero el propósito ya no es obtenerla de la naturaleza, sino fabricarla. Tampoco es una tarea fácil: se trata de una fibra compuesta por proteínas de enorme tamaño, pero incluso conociéndolas, no basta simplemente con producirlas en el laboratorio; la seda de araña es líquida en las glándulas del animal y se solidifica al salir al exterior, pero lo hace con una configuración y una orientación concretas sin las cuales no existen esas codiciadas propiedades.

Los genes ‘secretos’ de las arañas

De las más de 50.000 especies de arañas conocidas, todas las cuales producen seda, tradicionalmente las investigaciones sobre este material se han centrado en la araña de seda dorada (Trichonephila clavipes o Nephila clavipes), una especie tropical americana. En 2017 un equipo de investigadores dirigido por la Universidad de Pensilvania (EEUU) secuenció su genoma, casi tan grande como el humano, en el que se identificaron más de 14.000 genes; 28 de ellos son responsables de producir las proteínas de la seda o espidroínas, a los que se unen otros 649 genes que se expresan también en las glándulas de la seda y que probablemente desempeñen funciones en la solidificación de la tela y en la estructura de las fibras.

“Es quizás la dureza, la combinación de la fuerza y el estiramiento antes de romper uno de sus hilos, lo que resulta de mayor interés para la comunidad científica en general”, indica a OpenMind Benjamin Voight, director del estudio de secuenciación. Sin embargo, el gran número de genes implicados y sus diferentes combinaciones de expresión en las glándulas han sorprendido a los investigadores, que no esperaban tanta complejidad en el proceso de elaboración de la seda. Conocerlo al detalle es imprescindible para imitarlo en el laboratorio. “Debemos saber qué secuencias generan diversidad en las propiedades biofísicas de la seda: resistencia a la tracción, rigidez, extensibilidad, tenacidad o adherencia”, subraya Voight.

BBVA-OpenMind-Chaparro-Yanes-Spiderman nuevos materiales_2 La araña de corteza de Darwin produce una seda cuya tenacidad más que duplica la de otras y es 10 veces superior a la del Kevlar de los chalecos antibalas. Crédito: Wikimedia Commons
La araña de corteza de Darwin produce una seda cuya tenacidad más que duplica la de otras y es 10 veces superior a la del Kevlar de los chalecos antibalas. Crédito: Wikimedia Commons

Más recientemente, el de Voight y otros grupos de investigadores han analizado el genoma de otra especie, la araña de corteza de Darwin (Caerostris darwini), descubierta en 2010 en Madagascar. Produce una seda cuya tenacidad más que duplica la de otras y es 10 veces superior a la del Kevlar de los chalecos antibalas; es el material biológico más tenaz conocido. En su hábitat natural se han observado hebras de hasta 25 metros, tendidas entre las dos orillas de un río.

Los resultados muestran que esta araña posee un repertorio genético de espidroínas aún mayor que el de Trichonephila clavipes: al menos 31 genes, incluyendo nuevos tipos de secuencias ausentes en otras especies, y cuyas proteínas producidas se mezclan en las glándulas de un modo también más complicado de lo que se había observado hasta ahora. Es más, los conductos de sus glándulas son inusualmente largos, lo que puede facilitar el alineamiento de las proteínas en fibras especialmente resistentes. Según los investigadores, toda esta complejidad oculta los secretos de la extraordinaria tenacidad de la seda, pero aún es mucho lo que falta por desentrañar.

Desde champús a microsuturas

La conversión de la telaraña en un producto comercial pasa también por desvelar esa estructura única que la seda líquida adquiere al solidificarse. En los años 60 los investigadores comenzaron a analizarla por técnicas de difracción de rayos X, y en los 90 el uso de la Resonancia Magnética Nuclear (RMN) desveló más detalles sobre sus componentes cristalinos. Nuevos estudios recientes utilizando distintos tipos de espectroscopía han observado la estructura de las nanofibrillas que componen la seda a escala molecular con un detalle inédito hasta ahora. 

Por último, se requiere encontrar un método sólido de producción. “Las empresas privadas tienen técnicas para hacerlo y están buscando secuencias y materiales con propiedades óptimas para su producción a escala industrial”, señala Voight. La síntesis química no basta, por lo que los investigadores recurren a la ingeniería genética, introducir los genes de las espidroínas en otro organismo que fabrique las proteínas a partir de las cuales pueda elaborarse la seda de manera artificial. Para esta tarea, el recurso más clásico es la bacteria Escherichia coli, aunque también se ha probado con cabras transgénicas, levaduras o plantas. Estas son opciones elegidas por Randy Lewis, de la Universidad Estatal de Utah, que clonó el primer gen de la seda de araña en 1990 y lleva desde entonces persiguiendo el esquivo logro de recrear telaraña real. Recientemente y gracias a la nueva tecnología de edición genética CRISPR, Lewis y su equipo han conseguido obtener gusanos de seda transgénicos que producen tela de araña.

BBVA-OpenMind-Chaparro-Yanes-Spiderman nuevos materiales_3 Gracias a la nueva tecnología de edición genética CRISPR, se ha conseguido obtener gusanos de seda transgénicos que producen tela de araña. Crédito: Wikimedia Commons
Gracias a la nueva tecnología de edición genética CRISPR, se ha conseguido obtener gusanos de seda transgénicos que producen tela de araña. Crédito: Wikimedia Commons

“Hay varias compañías que pretenden producir la seda de araña, pero en todos los casos las fibras que están produciendo no son las proteínas reales sino simulaciones diseñadas por ordenador”, puntualiza Lewis a OpenMind. Quizá aún debamos esperar para que la tela de araña se convierta en un producto de masas, pero los expertos vaticinan que tal vez no falte mucho para ello. De hecho, esas versiones más simples de la seda, con proteínas más pequeñas, ya se están aplicando a diversos usos tentativos: prototipos textiles como unas zapatillas de Adidas o una parka de The North Face, o cosméticos y champús que aprovechan las cualidades sedosas e hidratantes de estas proteínas. Interesan especialmente los usos médicos, como recubrimientos de prótesis para que no sean rechazadas por el sistema inmune, suturas o matrices para tejidos de trasplante cultivados in vitro.

Y quién sabe qué más: “Cuando digo que nos gustaría construir en el laboratorio un lanzador de telarañas como el de Spider-Man, solo estoy bromeando a medias”, decía Voight.

Por Laura Chaparro

@laura_chaparro

Nota del editor: artículo actualizado el 21 de octubre por Javier Yanes

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