Seda de araña diseñada: inspirada en la naturaleza y fabricada en el laboratorio

 De acuerdo a “Fragmentos de la tradición arácnida” Un artículo en la revista Natural History Magazine dice: «En los escritos sagrados de la antigua India, una gran araña fue la [creadora] del universo. Con sus glándulas tejió la red de la que formamos parte, e incluso ahora se encuentra en su centro dirigiendo su movimiento». A lo largo de la historia cultural y literaria, las fibras finas, sedosas y fuertes que tejen las arañas han formado la base de los relatos de la creación, han promovido la curación de los heridos, han protegido a los perseguidos durante los conflictos y han inspirado a los científicos a analizar e intentar reproducir su trabajo en el laboratorio.

La seda de araña es una fibra de proteína polimérica cuya elasticidad y resistencia a la tracción se derivan de su composición química, principalmente alanina ( _{C₃H₄NO₂} ) y glicina ( _{C₂H₄NO₂ )} , aminoácidos que, junto con el alto peso molecular de la fibra y las secuencias proteicas repetitivas (espidroínas), contribuyen a sus codiciadas características mecánicas. _{La recolección masiva} y la cría _de arañas, o la recolección, económicamente inviable y laboriosa, de seda de arácnidos vivos caníbales con fines comerciales, sigue siendo ciencia ficción.

En De vuelta a la naturaleza: las fibras textiles vuelven a su estado original, un artículo escrito por Maria Thiry para el Revista AATCC Review En enero de 2004, expertos en fibras y científicos analizaron cómo se podía crear seda de araña artificial en el laboratorio y sus posibles usos. En esta actualización, hablaremos sobre el esfuerzo de 20 años para hacer realidad la seda de araña artificial a escala industrial.

Imagen 1: Estructura de la seda de araña

Una hebra de seda de araña natural, por ejemplo, la seda de dragalina, tiene un diámetro aproximado de 3-3-5 micrómetros y está compuesta por una capa lipídica hidrófoba, glicoproteínas y la “piel”, que funciona como barrera biológica, protegiendo las proteínas principales o espidroínas.  La imagen es de dominio público .

 

Nacido para girar

Los arácnidos producen espidroínas mediante glándulas internas ubicadas en su abdomen, donde almacenan sus proteínas de seda líquida (spin dope). Extruyen las proteínas almacenadas a través de hileras, u órganos productores de seda, ubicados en la parte posterior de su abdomen inferior, utilizando sus patas y su capacidad de soportar peso para lograr un movimiento de empuje y tracción. A medida que la seda líquida extruida sale de las hileras, las arañas experimentan cambios en la presión abdominal interna y la tensión de corte, y la seda líquida se…disminución del pH, transformándose así éste en una fibra.

Imagen 2: Órganos principales de una araña

Los órganos principales de una araña incluyen la hilera (12) y la glándula de seda (13).  La imagen es de dominio público.

En comparación, una proteína de seda de araña recombinante (rSSP) modificada genéticamente se basa en una relación donante-receptor que requiere materia prima y un huésped.sistema de expresión heterólogo. Para crear seda de araña se utiliza una secuencia de ácido desoxirribonucleico (ADN) o material genético importado de una araña tejedora de orbes que se inserta en una célula o especie huésped, por ejemplo:

• Bacterias como Escherichia coli (E. coli)
• Líneas celulares, como la Bombyx mori(BmN), que se encuentra en el tejido ovárico del gusano de seda.
• Animales transgénicos (cabras, ratones, ovejas y gusanos de seda) y plantas (tabaco)
• Levaduras

El resultado es un organismo transgénico con nuevas habilidades, listo para la fermentación en un biorreactor. La rSSP producida se presenta en forma de polvo, que posteriormente se combina con un disolvente y se extruye, o se hila en húmedo, mediante una matriz o aguja para crear una fibra.

En noviembre de 2025, la AATCC habló con Todd Blackledge, Director de Biociencia Integrada en el Departamento de Biología de la Universidad de Akron, sobre cómo ha evolucionado nuestra comprensión de cómo han evolucionado las secuencias de ADN en la seda de araña.

Según Blackledge, «Las herramientas disponibles para que los biólogos trabajen con genomas y comprendan la expresión génica son exponencialmente más avanzadas que hace veinte años. En aquel entonces, los científicos trabajaron arduamente para secuenciar [una mera porción] de un gen de seda (que son genes muy grandes) a partir de una gran cantidad de tejido de glándulas de seda. Esto les proporcionó una buena visión de la estructura de las porciones centrales de los genes de seda, lo que condujo a hipótesis fundamentales sobre cómo las secuencias de aminoácidos de las proteínas de la seda se relacionaban con diferentes propiedades materiales».

Ahora es posible secuenciar genes de seda completos de principio a fin, incluyendo partes de genes que no se traducen en proteínas, pero que son esenciales para controlar dicho proceso. Esto es significativo porque ahora comprendemos mucho mejor cómo las regiones N y C terminales de las proteínas de seda (considéralas como las tapas de los extremos de las proteínas) desempeñan un papel esencial en el hilado de las fibras de seda a partir de la solución líquida. El nivel de resolución también es mucho mayor, hasta el punto de que es posible explorar las diferencias en la expresión génica de la seda entre las regiones de una glándula de seda. Dado que la diversidad de genes conocidos de la seda de araña ha aumentado enormemente en los últimos años, es importante comprender dónde y cuándo se expresan diferentes versiones de genes de seda de aspecto similar en las glándulas de seda.

Imagen 3 :Mecanismo de giro de una araña

Los extremos C y N de las proteínas de seda presentes en el mecanismo de hilado de la araña desempeñan un papel fundamental en la transformación del líquido en fibra.  La imagen es de dominio público.

 Al preguntársele si existían sistemas de expresión heterólogos o huéspedes que ya no tuvieran potencial, Blackledge respondió: «Las herramientas para esta investigación han mejorado enormemente. El campo se ha alejado de los modelos mamíferos para centrarse en sistemas más fáciles de usar, con el objetivo de ampliar la producción y la cosecha de seda. La mayor parte del trabajo actual que veo se centra en bacterias, levaduras y gusanos de seda».

  

Momentos “Ajá”: Descubrimientos y pioneros

En 2007, mientras era profesor en la Universidad Técnica de Múnich (TUM) en Alemania, Thomas Scheibel y sus coinventores presentaron una solicitud patentar para un proceso de producción biotecnológico pionero. En este caso, se utilizaron huéspedes bacterianos de E. coli modificados genéticamente para crear proteínas de seda que, tras la fermentación y el hilado, produjeron fibras similares a sus contrapartes naturales. Al año siguiente, Scheibel cofundó AMSilk GmbH, que actualmente ofrece dos hilos veganos de biopolímero biodegradables: Biosteel y Ultrafine. Entre sus colaboraciones comerciales se incluyen las de Adidas, Omega y Mercedes Benz para crear zapatos de rendimiento conceptual (2016), correas de reloj de edición limitada(2019), y tiradores de puerta(2022), respectivamente.

En Roscas de pernos (est. 2009) en Berkeley, California, EE. UU., los creadores de Microsilk, genes bioingenierizados, réplicas de las proteínas presentes en la seda de araña, se insertan en levadura. Tras ello, el huésped se combina con azúcar de maíz y agua, y la proteína se fermenta en grandes cantidades. Las proteínas de seda aisladas y purificadas se hilan para formar fibras. En 2017, las corbatas tejidas de edición limitada de Bolt Thread fueron “el primer producto comercialmente disponible hecho de seda de araña [bioingenierizada]”, como se indica en su sitio web.

En lugar de bacterias o levaduras, en Laboratorios Kraig Biocraft (est. 2006) en Ann Arbor, Michigan, EE. UU., gusanos de seda transgénicos domesticados funcionan como huéspedes, generando fibroína, una proteína insoluble, también en grandes cantidades. Los productos finales, como Dragon Silk y Monster Silk _, son fibras compuestas hechas de proteínas de seda de gusanos de seda y arañas. Como se informa en el sitio web de la empresa, en su primer proyecto comercial, Kraig Biocraft Labs está a punto de completar un pedido para una empresa de ropa deportiva, cuyos detalles se mantienen confidenciales.

Imagen: 4 Gusanos de seda transgénicos

En Kraig Biocraft Labs, se utilizan gusanos de seda transgénicos para crear Seda Monstruosa. Aquí se les muestra transformándose en polillas.  La imagen es de dominio público .

 

Spiber: El viaje de una empresa hacia la seda de araña y las proteínas

A pesar de Spiber (est. 2007) en Tsuruoka, Yamagata, Japón, comenzó como un proyecto estudiantil en la Universidad de Keio en 2004 con el objetivo de replicar la seda de araña en el laboratorio. Kenji Higashi, representante de Spiber Europa, explicó: “Ya no nos consideramos una ’empresa de seda de araña’. Nos vemos como constructores de una plataforma más amplia para materiales proteicos diseñados. Originalmente, como la seda de araña es famosa por su resistencia, [nuestro objetivo] era crear una fibra superresistente para aplicaciones industriales”.

Tras años de trabajo, logramos producir pequeñas cantidades de proteínas recombinantes de seda de araña para prototipos de fibras y telas. [Aunque eran hermosas y finas,] no eran ni de lejos tan resistentes como las mejores sedas naturales. Tras estudiar a fondo la biología de las arañas e intentar imitar cómo hilan sus fibras, el equipo de Spiber se dio cuenta de que incluso una proteína desarrollada en laboratorio que replicara a la perfección la secuencia de aminoácidos de la seda de araña natural, sin el equivalente del aparato de hilado de una araña, reproduciendo las propiedades de la fibra, seguía siendo inalcanzable. A medida que la empresa continuaba explorando posibles aplicaciones para su tecnología, llegaron a la conclusión de que muchos productos, como los textiles para prendas de vestir, no requieren necesariamente el uso de fibras superresistentes, siempre que tengan las propiedades adecuadas y sean lo suficientemente resistentes como para procesarlas en prendas.

Así que, en lugar de intentar copiar el trabajo de una araña en el laboratorio, Spiber comenzó a diseñar sus propias proteínas que “iban más allá de lo que existe en la naturaleza [y] realizaron cambios importantes en sus diseños de aminoácidos. La fibra Brewed Protein que producimos hoy”, afirma Higashi, “se inspira en arañas, gusanos de seda y otros organismos, pero las secuencias están diseñadas para cumplir [usos finales y objetivos específicos], como el rendimiento/comodidad en productos textiles y la eficiencia de la producción. En el aspecto técnico”, añadió, “Spiber ya ha demostrado que es posible producir fibras proteicas para confeccionar prendas prácticas a escala comercial”. Entre las colaboraciones destacadas se incluyen aquellas con empresas como Burberry, Goldwin y The North Face, y diseñadores de moda como Yohji Yamamoto e Iris van Herpen, cuyos vestido de novia de alta costura El modelo que se presentó en su desfile Otoño/Invierno 2025 se elaboró ​​utilizando fibras proteicas de Spiber.

 

 Imágenes 5a y 5b: Fibra proteica elaborada (derecha) y Moon Parka (izquierda)

Izquierda : La proteína fermentada se elabora a partir de materiales vegetales (azúcares) y se procesa mediante fermentación de precisión. Puede utilizarse como recubrimiento, fibra o membrana.

Derecha : La edición limitada Moon Parka (50 unidades), lanzada en diciembre de 2019, se fabricó con proteína fermentada. Moon Parka es una marca registrada de Spiber Inc. y Goldwin Inc.

Imágenes cortesía de Kenji Higashi, Representante de Spiber Europa.

 Y aunque el proceso de producción de proteínas de Spiber “aún requiere algunos azúcares como nutrientes para nuestros microbios”, Higashi señala que “nuestro trabajo de análisis del ciclo de vida (ACV) demuestra que se pueden obtener cantidades equivalentes de fibras proteicas con una menor huella ambiental en comparación con los sistemas basados ​​en animales… y que la fermentación de precisión supone un uso mucho más eficiente de la tierra y los recursos. El desafío ahora”, enfatizó, “es menos ‘¿podemos fabricar el material?’ y más ‘¿con qué rapidez podemos generalizarlo?'”.

 

Pruebas web y amenazas

Según Katrina Penegar, directora del Laboratorio de Pruebas del Centro de Tecnología Textil del Gaston College (Campus Kimbrell) en Dallas, Carolina del Norte, EE. UU., la norma ASTM D2256 (Método de prueba estándar para las propiedades de tracción de hilos mediante el método de una sola hebra) debería permitir evaluar la resistencia a la tracción de la seda de araña sintética o genéticamente modificada destinada a aplicaciones comerciales. Según Penegar, el método de una sola hebra implica montar un hilo individual en un comprobador de tracción, aplicar una velocidad controlada de extensión hasta la rotura y registrar la fuerza y ​​el alargamiento. Esto ayuda a determinar propiedades como la tenacidad, el alargamiento y el módulo.

Sin embargo, Penegar señaló que «la norma ASTM D3822 (Propiedades de Tracción de Fibras Textiles Individuales) podría ser una opción ligeramente mejor. Esto dependería del tipo de muestra; por ejemplo, si se trata de un hilo real o de fibras individuales. Este método también dependería de la resistencia, la longitud y el tamaño de la muestra, parámetros que podrían limitar el equipo viable para obtener los resultados necesarios».

Y aunque el laboratorio de Penegar aún no ha probado muestras de seda de araña internamente, «al usar fibras de alto rendimiento, los desafíos suelen incluir asegurar filamentos delicados sin inducir tensión ni deslizamiento. [Además], los agarres especializados y una alineación cuidadosa son fundamentales para evitar roturas prematuras».

En la naturaleza, el rocío y la lluvia pueden romper o destruir la telaraña de una araña, independientemente de su resistencia a la tensión. Como afirmó Higashi de Spiber: «Cuando empezamos a desarrollar textiles para prendas de vestir con nuestros primeros polímeros proteicos inspirados en la seda de araña, podíamos crear telas hermosas, pero al mojarse, se encogían muchísimo. La seda de araña natural tiene una función integrada que ajusta automáticamente su tensión al entrar en contacto con el agua o al exponerse a cambios de humedad. Este fenómeno se conoce como supercontracción, que probablemente evolucionó como una forma de que las arañas mantuvieran sus telas funcionando con un mantenimiento mínimo. Si bien es útil para una araña en la naturaleza, no es ideal para un suéter que debe resistir el lavado doméstico».

Si bien las fibras y telas convencionales sometidas a teñido pueden sufrir las siguientes consecuencias:TM061 Método de prueba para la solidez del color al lavado: aceleradooTM107 Método de prueba para la solidez del color al aguaSegún Matthew Marshall, presidente de Métodos de Prueba de Solidez del Color al Agua RA23 y gerente técnico de Softlines en UL Solutions en Wilmington, DE, EE. UU., los miembros del comité no han realizado ninguna investigación relacionada con la solidez del color y la seda de araña artificial, específicamente para TM107. Por lo tanto, al momento de escribir este artículo, desconocemos si el suéter hipotético mencionado anteriormente resistiría los rigores del lavado a mano o a máquina.

 

Seda de araña diseñada: repensando las posibilidades…

“Las arañas”, nos recuerda Kenji Higashi, “han dedicado cientos de millones de años de evolución a perfeccionar su proceso de hilado. La forma en que los polímeros se alinean y cristalizan a medida que las arañas desenrollan sus sedas es extremadamente compleja, y aún no sabemos cómo replicar ese proceso en un entorno de hilado industrial ”.

Los proyectos relativamente recientes y de pequeña escala han incluido un sistema microfluídico.glándula de seda artificial, un esfuerzo colaborativo entre el Centro para la Ciencia de Recursos Sostenibles y el Clúster de Investigación Pionera de RIKEN, una Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo de Japón. En un comunicado de prensa del 25 de enero de 2024, la agencia declaró que el objetivo del dispositivo era recrear la compleja estructura molecular de la seda imitando los cambios químicos y físicos que ocurren naturalmente en la glándula de seda de una araña. Para que este dispositivo tenga el impacto real al que se refirió el líder de investigación Keiji Numata en el comunicado, el equipo deberá ampliar su metodología de producción de fibra y convertirla en un proceso continuo, así como evaluar la calidad de su seda de araña artificial.

EnDe vuelta a la naturaleza: las fibras textiles vuelven a su estado original Todd Blackledge mencionó algunos posibles usos finales de la seda de araña sintética o de ingeniería en el mundo real, como armaduras antibalas, cables y cuerdas de alto rendimiento, vendajes de emergencia y ropa deportiva. En 2025, ¿seguirán siendo viables estas aplicaciones comerciales?

“Creo que el sector se ha alejado del enfoque de ‘qué podemos hacer con las excelentes propiedades de la seda de araña’ hacia ‘qué es económicamente viable en las condiciones actuales del mercado’”, afirmó Blackledge. “La industria ya cuenta con una gran cantidad de fibras sintéticas derivadas del petróleo, fáciles de fabricar, y la medicina ofrece una gran variedad de materiales de sutura y vendaje en el mercado. Por lo tanto, la verdadera pregunta es: ¿dónde puede la seda de araña sintética aportar suficiente valor añadido como para que la industria pague el coste de la transición desde las cadenas de suministro existentes?”. Por ello, “los esfuerzos actuales para comercializar productos de seda de araña se centran más en aditivos en productos cosméticos, aplicaciones de lujo y alternativas veganas a los productos derivados del gusano de seda”.

 

…Y seguimos encontrando inspiración en la naturaleza

Dicho esto, Kenji Higashi, de Spiber, cree que «sin duda vale la pena impulsar el desarrollo de fibras proteicas sintéticas/de ingeniería. Una de las lecciones clave de nuestras dos décadas de trabajo ha sido que intentar copiar exactamente cómo funciona la naturaleza puede ser menos importante que aprender de sus diseños».

Imagen: Tejedor de orbes dorados

Araña orbe dorada en acción (Nephila Clavata)

 

Fuente: AATCC