Possiamo fare in laboratorio le ragnatele di Spider-Man? La bio-ingegneria produce le proteine della seta

Immaginate di potervi dondolare tra i grattacieli aggrappati a un filo spesso pochi millimetri come l'Uomo ragno. Quello che per Peter Parker, protagnosita del nuovo film Marvel da poco nelle sale "Spider-Man: Brand New Day", è normale amministrazione, per la scienza dei materiali è un grande obiettivo: la tela di ragno. Si tratta di un biomateriale con una resistenza alla trazione e una tenacità eccezionali, tanto che fin dall'antichità greci e romani usavano le ragnatele per fermare le emorragie delle ferite in battaglia. Un materiale molto ambito, ma che ancora non è possibile produrre su scala industriale.

Il problema è che i ragni non sono facili da allevare: a differenza dei bachi da seta, che l'essere umano ha addomesticato per 5000 anni e da cui si ricavano fino a 900 metri di fibra per bozzolo, i ragni sono predatori territoriali che non possono essere allevati ad alte densità. Mettetene cento in una stanza e, dopo poco tempo, si divoreranno a vicenda finché ne rimarrà soltanto uno. Inoltre, come riporta la review "Spider silks and their applications" di Kluge J.A., da un singolo ragno si estraggono al massimo 137 metri di seta, rendendo l'allevamento del tutto improduttivo. È proprio qui che entra in gioco la bio-ingegneria: visto che non possiamo allevare i ragni, gli scienziati hanno deciso di "hackerare" il DNA di altri organismi.

Esistono 7 tipologie diverse di seta di ragno

Un dettaglio che spesso si ignora è che un singolo ragno non produce un solo tipo di filo, ma può secernere fino a sette tipologie diverse di seta, ciascuna prodotta da ghiandole specifiche per scopi ben distinti. Le principali, spiegate nella review "Spider Silk for Tissue Engineering Applications" di Salehi S. et al. e nella review "Spider silks and their applications" di Kluge J.A. et al. sono:

• Seta di dragline (o dell'ampolla maggiore): è la più nota e resistente, usata per la struttura portante della ragnatela e come linea di sicurezza per le cadute.
• Seta flagelliforme (di cattura): un filo altamente elastico, progettato per assorbire l'urto e intrappolare le prede.
• Seta per il bozzolo: usata per proteggere le uova da urti e agenti atmosferici.
• Seta adesiva: secrezioni specifiche impiegate per ancorare saldamente le ragnatele.

Quando parliamo di bio-ingegneria, i ricercatori si concentrano principalmente sulla seta di dragline (prodotta dalle ghiandole ampullacee maggiori), proprio perché è quella che garantisce il miglior mix di tenacità e resistenza alla trazione.

La forza della tela deriva dalla struttura molecolare

A livello molecolare, la seta di ragno presenta un'architettura straordinaria, composta principalmente da due proteine chiamate spidroine (MaSp1, più idrofobica, e MaSp2, ricca di prolina). Le eccezionali proprietà meccaniche della tela derivano da un perfetto equilibrio tra due componenti:

• Foglietti beta: alcune regioni della proteina, composte da ripetizioni dell'amminoacido alanina, si agganciano saldamente tra loro formando micro-cristalli rigidi. Questi cristalli si comportano come vera e propria muratura, garantendo all'intero filo un'elevatissima resistenza alla trazione.
• Regioni amorfe: i cristalli sono immersi in catene proteiche meno organizzate, ricche di glicina e prolina, che si avvolgono a spirale. Queste regioni semi-amorfe funzionano come "molle" su scala nanometrica, conferendo al materiale l'elasticità necessaria per assorbire impatti senza spezzarsi.

A questa struttura si aggiunge un raffinato "interruttore" biochimico: le estremità delle spidroine (i domini ammino- e carbossi-terminali). Queste regioni terminali impediscono alle proteine di solidificarsi prematuramente mentre sono stoccate in forma liquida nelle ghiandole del ragno, attivando la formazione della fibra solida solo nel momento esatto dell'estrusione.

Come vengono prodotte le proteine: DNA ricombinante

Per produrre queste proteine (le spidroine) in massa, i ricercatori utilizzano la tecnologia del DNA ricombinante. I geni del ragno vengono estratti e inseriti all'interno di altri organismi ospiti utilizzando tecniche di ingegneria genetica e biotecnologie moderne.

Tra i sistemi più utilizzati ci sono:

• I batteri (Escherichia coli): sono i preferiti per la loro rapida crescita e facilità di manipolazione.
• Mammiferi transgenici: gli scienziati sono riusciti a inserire i geni della seta in topi e capre; modificando dei promotori specifici, hanno fatto in modo che questi animali secernessero le proteine della seta di ragno direttamente nel loro latte, da cui possono poi essere purificate.
• Piante: anche tabacco, patate e soia transgenici sono stati usati come "fabbriche" per le proteine della tela.

  

Il vero problema: replicare lo spinning della tela

La vera sfida ingegneristica è l'estrusione (spinning). In natura, il ragno trasforma una soluzione proteica liquida in una fibra solida e resistentissima facendola passare attraverso un dotto di filatura, un processo guidato da una progressiva perdita d'acqua e dall'allineamento delle regioni idrofobiche.

Replicare questa fase in laboratorio è molto complesso. Oggi si usano tecniche come l’elettrofilatura (electrospinning, che sfrutta forti gradienti di voltaggio per creare nanofibre) o la microfluidica (che cerca di imitare la geometria del dotto del ragno).

Ma il limite più grande attualmente risiede proprio nei batteri: le sequenze genetiche del ragno sono così lunghe e ripetitive che organismi semplici come E. coli faticano a leggerle interamente. Le proteine ricombinanti prodotte in laboratorio sono quindi molto più "corte" di quelle naturali, compromettendone l'assemblaggio e le proprietà meccaniche finali.

Le applicazioni del futuro: medicina rigenerativa

Il vero settore dove la seta di ragno transgenica sta spopolando è la medicina rigenerativa. Il nostro corpo non la riconosce come un corpo estraneo pericoloso e si degrada lentamente in modo naturale, per questo la seta viene studiata per:

• Suture iper-resistenti: utili per riparare la rottura dei tendini, capaci di resistere a migliaia di cicli di stress senza cedere.
• Rigenerazione dei nervi periferici: dei "tubicini" contenenti fibre di seta di ragno vengono usati per fare da guida alle cellule di Schwann, aiutando i nervi tranciati a ricrescere e riconnettersi.
• Rivestimenti per protesi: pellicole di seta di ragno applicate su protesi in silicone (come le protesi mammarie) riescono a mascherare l'impianto, riducendo drasticamente l'infiammazione e il rischio di rigetto.
• Bio-stampa 3D: la seta viene trasformata in idrogel usati come "bio-inchiostri" per stampanti 3D, capaci di incapsulare cellule vive (come i fibroblasti) per stampare letteralmente tessuti umani in laboratorio.

Insomma, forse non potremo ancora sparare ragnatele dai polsi per fermare i treni in corsa, ma grazie alla bio-ingegneria la seta di ragno potrebbe diventare il “super potere” degli ospedali.

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