As proteínas de 128 repetições resultaram em uma fibra com resistência gigapascal que é mais forte do que o aço comum. A resistência das fibras é maior do que a do Kevlar e de todas as fibras de seda recombinantes anteriores. Sua força e dureza são ainda maiores do que algumas fibras naturais de seda de aranha relatadas. Crédito: Washington University em St. Louis / Jingyao Li

Diz-se que a seda da aranha é um dos materiais mais fortes e resistentes da Terra. Agora, engenheiros da Washington University em St. Louis projetaram proteínas híbridas de seda amilóide e as produziram em bactérias modificadas. As fibras resultantes são mais fortes e mais resistentes do que algumas sedas naturais de aranha.

Sua pesquisa foi publicada na revista ACS Nano.

Para ser mais preciso, a seda artificial – apelidada de fibra de “amiloide polimérica” ​​- não foi tecnicamente produzida por pesquisadores, mas por bactérias geneticamente modificadas no laboratório de Fuzhong Zhang, professor do Departamento de Energia, Engenharia Ambiental e Química do Escola de Engenharia McKelvey.

Zhang já trabalhou com seda de aranha antes. Em 2018, seu laboratório projetou bactérias que produziram uma seda de aranha recombinante com desempenho equivalente a suas contrapartes naturais em todas as propriedades mecânicas importantes.

“Depois de nosso trabalho anterior, eu me perguntei se poderíamos criar algo melhor do que seda de aranha usando nossa plataforma de biologia sintética”, disse Zhang.

A equipe de pesquisa, que inclui o primeiro autor Jingyao Li, um Ph.D. estudante no laboratório de Zhang, modificou a sequência de aminoácidos das proteínas da seda da aranha para introduzir novas propriedades, mantendo algumas das características atraentes da seda da aranha.

Um problema associado à fibra de seda de aranha recombinante – sem modificação significativa da sequência natural de seda de aranha – é a necessidade de criar β-nanocristais, um componente principal da seda de aranha natural, que contribui para sua força. “As aranhas descobriram como girar as fibras com uma quantidade desejável de nanocristais”, disse Zhang. “Mas quando os humanos usam processos de fiação artificiais, a quantidade de nanocristais em uma fibra de seda sintética costuma ser menor do que sua contraparte natural.”

Este gráfico compara a resistência e a resistência de diferentes fibras de seda naturais e recombinantes. Em vermelho está a fibra amilóide polimérica desenvolvida no laboratório de Fuzhong Zhang. Crédito: Washington University em St. Louis / Jingyao Li

Para resolver este problema, a equipe redesenhou a sequência de seda introduzindo sequências amilóides que têm alta tendência de formar β-nanocristais. Eles criaram diferentes proteínas amilóides poliméricas usando três sequências amilóides bem estudadas como representantes. As proteínas resultantes tinham menos sequências de aminoácidos repetitivas do que a seda da aranha, tornando-as mais fáceis de serem produzidas por bactérias modificadas. Por fim, a bactéria produziu uma proteína amilóide polimérica híbrida com 128 unidades repetidas. A expressão recombinante da proteína da seda da aranha com unidades de repetição semelhantes provou ser difícil.

Quanto mais longa for a proteína, mais forte e resistente será a fibra resultante. As proteínas de 128 repetições resultaram em uma fibra com força gigapascal (uma medida de quanta força é necessária para quebrar uma fibra de diâmetro fixo), que é mais forte do que o aço comum. A resistência das fibras (uma medida de quanta energia é necessária para quebrar uma fibra) é maior do que Kevlar e todas as fibras de seda recombinantes anteriores. Sua força e resistência são ainda maiores do que algumas fibras naturais de seda de aranha relatadas.

Em colaboração com Young- Shin Jun, professora do Departamento de Energia, Engenharia Ambiental e Química, e seu Ph.D. estudante Yaguang Zhu, a equipe confirmou que as altas propriedades mecânicas das fibras amilóides poliméricas realmente vêm da quantidade aumentada de β-nanocristais.

Essas novas proteínas e as fibras resultantes não são o fim da história das fibras sintéticas de alto desempenho no laboratório de Zhang. Eles estão apenas começando. “Isso demonstra que podemos projetar biologia para produzir materiais que superam o melhor material da natureza”, disse Zhang.

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