Artículos sobre ciencia y tecnología de Mauricio-José Schwarz publicados originalmente en El Correo y otros diarios del Grupo Vocento

diciembre 29, 2014

Aprender de los hilos naturales

La imitación de los productos de la naturaleza y su mejoramiento para atender a nuestras necesidades ha encontrado un obstáculo en los hilos producidos por humildes insectos y arácnidos.

Una tela de araña exhibe su resistencia perlada con gotas
de rocío. (Foto CC de Tiia Monto, via Wikimedia Commons)
La tecnología ha sido capaz de sintetizar una gran cantidad de sustancias naturales, generalmente no demasiado complejas, para satisfacer necesidades que de otro modo quedarían cubiertas a medias. Algunas sustancias incluso se han mejorado, como es el caso del ácido acetilsalicílico de la aspirina, menos agresivo para el aparato digestivo que el ácido salicílico que se encuentra en la corteza del sauce.

Pero los productos mucho más complejos siguen presentando un desafío enorme para el conocimiento y la ingeniería. Las fibras artificiales que se han producido a partir de fines del siglo XIX, por ejemplo, han sido de enorme importancia en la industria del vestido y en la fabricación de productos como paracaídas, chalecos antibalas y, últimamente, en la producción incluso de carrocerías de automóviles y otros productos donde la fibra de carbono se utiliza como sustituto de metales y otros productos.

Muchas fibras artificiales, pues, han sido incluso superiores a las que tradicionalmente ha utilizado el ser humano para vestirse y otros fines, como el algodón, el lino, el yute, el ratán o el cáñamo. Pero hasta hoy no ha sido posible replicar sintéticamente de modo exacto las fibras naturales. Hay aplicaciones en las que son indispensables porque sus características siguen siendo únicas.

Las primeras fibras artificiales no eran totalmente sintéticas, ya que resultaban de procesar la madera y utilizar sus celulosa para transformarla. En el caso del rayón, es producto de la reacción del disulfuro de carbono con la celulosa, mientras que la segunda fibra artificial, el acetato, es precisamente acetato de celulosa.

Fue en 1930 cuando se desarrolló la primera fibra sintética, el nylon, que tenía por objeto sustituir a la seda en la industria del vestido, y permitió que muchas mujeres pudieran usar medias que antes estaban reservadas a las clases pudientes por estar hechas de seda. Pocos años después, sin embargo, se convertiría en un suministro importante para la Segunda Guerra Mundial utilizándose en paracaídas, cuerdas y mosquiteros, entre otras aplicaciones. Al nylon le siguieron otras fibras que hoy siguen dominando el mercado: el poliéster, el acrílico y la poliolefina.

Todas estas fibras son polímeros, es decir, se toman moléculas orgánicas y se procesan de modo que creen largas cadenas similares a las fibras naturales.

Pero la distancia entre ambas, sintéticas y naturales, sigue siendo abismal. Si las fibras vegetales presentan un desafío importante, las de origen animal han sido verdaderos acertijos. La seda, por ejemplo, que se obtiene de devanar los capullos que forma el gusano de seda para su metamorfosis, se presenta en hilos dobles, y pese a ser ligera mantiene tibio a quien la usa. El nylon, que es químicamente similar pero no igual, al microscopio sus fibras son cilindros lisos y transparentes, es susceptible de estirarse pero no es absorbente, es fresco pero húmedo. ¿Cuáles son los motivos de las diferencias? Pueden ser los componentes, los enlaces químicos, la forma de las fibras, o todos estos elementos conjuntamente.

El problema se complica aún más ante una de las fibras más asombrosas del mundo animal: la seda de las arañas. O, para ser más precisos, los distintos tipos de seda que producen algunas arañas, ya que pueden generar desde una fibra estructural enormemente resistente hasta una seda de captura pegajosa y flexible, una para envolver a sus presas u otras que utilizan para proteger sus huevos. En total se conocen siete tipos distintos de seda de araña, cada una producida por una glándula especializada y que se suministran a través de pequeños orificios llamados hileras, donde captura agua y adopta su forma final. Es un material más fuerte que el acero por peso (y más elástico que la goma de látex) y casi tan fuerte como el acero en fibras de diámetro similar, además de ser extraordinariamente resistente a la tensión.

Como señalan investigadores como Lin Römer y Thomas Scheibel, que han profundizado en la composición de la tela de araña, una de las dificultades de reproducir este extraordinario material es precisamente que es el resultado de millones de años de evolución que le dan una resistencia por encima de las más desarrolladas fibras sintéticas como el Kevlar, empleado en chalecos antibalas. Y además tiene la ventaja de ser antimicrobiana, hipoalergénica (no causa reacciones alérgicas) y es 100% biodegradable, algo que no ocurre forzosamente con las fibras sintéticas existentes. Estas solas características la harían ideal para tejer apósitos, vendas y otros materiales de curación y protección para heridas.

Su compleja estructura está formada por una solución de proteínas que el animal hila y que quedan dispuestas en distintas capas y formas responsables de sus características. Esa complejidad también es responsable de que sólo en los últimos años se haya contado con la tecnología necesaria para conocer la secuencia de los aminoácidos que forman algunos de los tipos de seda de algunas arañas. Porque, presentando una realidad aún más complicada, distintas arañas producen sedas de composiciones distintas.

La búsqueda por reproducir la seda de araña es incluso más intensa que en el caso de otras fibras naturales ya que su potencial industrial es enorme.

Si no es posible reproducir la complejidad de la seda de araña en el laboratorio, y dado que tener granjas de arañas es poco viable por la agresividad que exhiben entre ellas, una de las soluciones que se han planteado es producirla utilizando sus genes. En las últimas tres décadas, investigadores como Randy Lewis, de la Universidad de Utah, han estado transfiriendo los genes responsables de la producción de seda de araña a diversos anfitriones como gusanos de seda, bacterias E. coli como las que ya se utilizan para producir proteínas complejas como la insulina humana, alfalfa y cabras cuya leche contiene proteínas de seda de araña. Una vez teniendo cantidades adecuadas de las proteínas de la fibra, el desafío es hilarlas y procesarlas para obtener un producto similar al que consiguen las arañas sin tanta parafenalia.

Proyecto comercial o bulo?

Una empresa japonesa ha afirmado que tiene un procedimiento comercialmente viable para producir seda de araña destinada a aplicaciones tan distintas como vasos sanguíneos y ligamentos artificiales, entre otras. Su base es la fibroína, la principal proteína de la seda de araña, producida por bacterias, convertida en polvo e hilada, aunque, asegura la empresa, puede convertirse también en películas, gel, espumas y nanofibras.

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