La tela dei ragni:
un’idea antica per nuovi biomateriali
Fedele Tilocca
L’ uso della seta ha accompagnato i ragni lungo un processo evolutivo lungo 450
milioni di anni; . È solo dal 1970 in poi però che si ravviva l’interesse verso questi
particolari prodotti grazie a diversi articoli di Work e Gosline sulle loro proprietà
fisiche, chimiche e meccaniche ma soprattutto si arriva a comprendere le ragioni per
cui posseggono queste proprietà; in particolare la conoscenza delle proteine che
costituiscono le ragnatele e la loro sequenza hanno fornito informazioni chiave
direttamente legate alle loro caratteristiche
In natura inoltre esistono altre specie in
grado di produrre seta come ad esempio
il bombyx mori la cui seta è conosciuta e
apprezzata ormai da anni
Bombyx mori
Un unico filamento di seta
Orb-web spider
Fino a sei tipi diversi di seta
I ragni sono in grado di produrre fino
a sei diversi tipi di seta in altrettante
ghiandole ed inoltre ne modulano con
precisione produzione e applicazione
 Aspetti biologici1
Nelle ragnatele comuni si trovano diversi tipi di seta, prodotti in altrettante
ghiandole che controllano la loro produzione e applicazione. La seta prodotta potrà
servire per diversi scopi, come costruire la rete che fungerà da trappola oppure per
la cosiddetta dragline che serve ai ragni per sfuggire ai predatori oppure ancora per
conservare le uova
1) Lewis R. V.; Chem. Rev. 2006, 106, 3762-3774
Ogni ghiandola presenta forme e dimensioni distinte; Gli studi maggiori sono
stati eseguiti sulla ampolla ghiandolare maggiore viste le dimensioni e la
semplicità di studio; gli studi istochimici e morfologici sulle altre ghiandole
supportano le idee sviluppate dalla ricerca sulla Masp e il loro funzionamento
può essere ragionevolmente organizzato in uno schema comune
 Proprietà meccaniche:
Le proprietà meccaniche rappresentano l’aspetto più interessante
preso in esame da molti ricercatori
Dal confronto con i migliori materiali polimerici come nylon o kevlar si nota come la
seta possa addirittura avere prestazioni superiori a questi materiali sia in termini di
resistenza alla rottura che in elasticità. Da notare inoltre la differenza in prestazioni
tra i diversi tipi di ragnatela (ad esempio di un fattore 50 nel caso dell’elasticità)
 Proprietà chimiche
In alcuni studi condotti da E. Fisher (1907) si riporta che le
ragnatele sono composte prevalentemente da proteine e solo
una percentuale minima di altri materiali (<0.1% tra zuccheri,
lipidi e minerali) risulta legata covalentemente con i
filamenti proteici
 La seta prodotta Masp contiene una
combinazione di Glu, Pro, Gly e Ala pari
all’80% per qualsiasi specie
 Quella prodotta nella Misp presenta
una combinazione simile ma con due
varianti: non contiene Pro ed il contenuto
in Glu è molto ridotto
 La seta flagelliforme presenta alto
contenuto in Pro e Val mentre risulta
ridotto il contenuto in Ala
 La seta aciniforme presenta invece
elevati livelli di Ser e di amminoacidi
idrofobici
 Sequenze proteiche
 Ampolla ghiandolare maggiore (MaSp)
nel 1990 fu pubblicata la prima sequenza parziale di DNA (MaSp1), costituita
essenzialmente da simili ma non identici motivi ripetuti contenenti unità di poliAla fino a 7 residui alternati con motivi (GGX)n dove X è rispettivamente Tyr, Leu e
Glu. Inoltre dal confronto con le sequenze proteiche note non c’è stato riscontro
oltre i cinque amminoacidi, indicando cosi una struttura completamente nuova
Fu scoperta poi una seconda sequenza (MaSp2), contenente anch’essa residui poliAla ma soprattutto residui contenenti Pro, assenti nella MaSp1, osservando
alternanza tra il motivo di poli-Ala e il polipeptide contenente Pro
(GPGQQGPGGY)n
 Ampolla ghiandolare minore (MiSp)
Dal filamento ottenuto si osservano similitudini con quanto visto in precedenza ma
anche differenze considerevoli: in particolare sono ancora presenti le triplette GGX
ma i lunghi motivi poli-Ala sono sostituiti da ripetizioni di (GA)n
 Ghiandola flagelliforme (Flag)
Il filamento ottenuto dalla
seta flagelliforme presenta
tre caratteristiche distintive:
Presenta un elevato numero di motivi pentapeptidici GPGGX e GGX;
 Il pentapeptide presenta variazioni nell’ultimo residuo non presenti nelle altre sequenze
 Uno spacer di 34 unità costituito da molti amminoacidi carichi o idrofilici è presente tra
le sequenze ripetitive e non si conosce ancora quale sia il suo compito nel determinare la
struttura del filamento.
 Studi biofisici2
Il maggior numero di informazioni di tipo biofisico sono state ottenute dai
filamenti di seta prodotti nell’ampolla ghiandolare maggiore per due motivi:
 E’ facile da ottenere;
 Esibisce una combinazione unica di elasticità e resistenza
Misure di diffrazione ai raggi X e studi
NMR hanno stabilito che le sete dei
ragni contengono estesi
segmenti
ordinati a nastro di beta-foglietti,
orientati in parallelo rispetto all’asse
della fibra; questi segmenti sono stati
identificati al livello dei residui di glyala e poli-ala ed è stata confermata la
struttura di tipo beta-foglietto nella fibra
2) Holland P., Lewis R., Yarger L.; J. Am. Chem. Soc., 2004, 126, 5867-5872
Recenti studi di diffrazione ai raggi X
inoltre hanno messo in evidenza altri
particolari interessanti;
infatti confermano la classificazione dei
filamenti proteici della dragline come betafoglietti ma mettono in evidenza che parti
significative di struttura sono disordinate
(come riportato in figura).
Ciò darebbe anche una spiegazione
plausibile all’elasticità di questi filamenti
che se sottoposti a forza esterna si allineano
assumendo quindi una struttura ordinata
che non appena cessa la forza esterna torna
al suo stato originale
Si riteneva inizialmente che fossero i motivi
GGX i responsabili dell’elasticità ma studi
successivi hanno invece individuato come
principale candidato in questo ruolo il motivo
GPGXX;
infatti l’elevato numero di queste sequenze
nella seta flagelliforme, ricordiamo che
presenta un’elasticità 200 volte superiore alle
altre, ne è conferma. È quindi la zona ricca in
Pro che conferisce elasticità e da modelli
computazionali si è arrivati a proporre per i
segmenti GPGXX una struttura di beta-foglietti
avvolti a spirale grazie a interazioni
intramolecolari della Pro;
La struttura osservata è molto simile ad
esempio a quella dell’elastina e conferisce
quindi elasticità per semplice stiramento e
contrazione della spirale.
 Tecniche di produzione3
Le particolari proprietà meccaniche viste fino ad ora hanno motivato molti ricercatori
verso lo sviluppo di tecniche di produzione necessarie per ottenere quantità di seta
sufficienti per applicazioni industriali
Esistono diversi aspetti da considerare nel tentativo
di produzione di tali proteine: il gene da clonare è
grosso e contiene molte unità ripetitive quindi
l’uso di batteri è svantaggiosa in quanto la
dimensione del gene esprimibile è limitata e il
codone è diverso da quello dei ragni; inoltre i
batteri rimuovono le unità ripetitive attraverso un
meccanismo di ricombinazione omologa; il
problema si può risolvere però modificando il
codone del batterio rendendolo idoneo ad
esprimere il nuovo gene
3) Vendrely C., Scheibel T.; J. Macromol. Biosci. 2007, 7, 401-409
Un
altro
approccio
apparentemente
migliore si basa sulla possibilità di
ottenere un filamento di cDNA della seta
del ragno attraverso organismi eucarioti
che sono in grado di decodificare il
codone dei geni dei ragni, non hanno
problemi di dimensioni e hanno una
bassa
frequenza
di
ricombinazione
omologa evitando così l’eliminazione di
sequenze ripetitive
 Possibili applicazioni4
Le applicazioni biomediche offrono le opportunità maggiori grazie alla combinazione
delle eccellenti proprietà meccaniche, alla biocompatibilità ed alla bassa biodegradabilità.
Infatti possono essere assemblate in diverse e stabili forme morfologiche che includono
films e idrogel ottenendo cosi supporti idonei per diverse applicazioni; inoltre possono
contenere peptici specifici o fattori di crescita della cellula che mimano le condizioni delle
matrici extracellulari promuovendo così l’attaccamento, la differenziazione e la
proliferazione di osteoblasti o fibroblasti. Ad esempio la possibilità di ottenere fibre con
pori di interconnessione micrometrici rende possibile il loro utilizzo come supporti nella
rigenerazione del tessuto osseo (ad esempio nella riparazione di un legamento crociato
anteriore) superando i limiti dovuti ai materiali attualmente utilizzati come collagene( con
proprietà meccaniche ridotte) o poliacidi che inducono infiammazione.
4) Altman G., Horan R., Kaplan D.; Biomaterials, 2002, 23, 4131-4141
 Altri esempi di applicazioni5

Possono
essere
facilmente
autoassemblate
in
nano-capsule
capaci di proteggere ingredienti attivi
vista la loro elevata stabilità chimica e
meccanica;
 sono possibili applicazioni di tipo
tecnico
come
in
circuiti
micromeccanici o elettronici grazie
alla possibilità di ottenerne nanofili o
come superfici di rivestimento;
 Vista l’elevata durezza in rapporto
a peso e dimensioni ridottissime si
possono utilizzare anche nel tessile
per la produzione di paracaduti o
giubbotti antiproiettile.
5) Hermanson D., Huemmerich D., Bausch A.; Adv. Mater.. 2007, 19, 1810-1815
Gli ultimi 15 anni hanno visto quindi un notevole incremento nelle
informazioni riguardanti diversi aspetti delle ragnatele.
Malgrado questi progressi però ci sono ancora numerosi aspetti che
necessitano di un ulteriore sviluppo in modo da avere una comprensione
piena delle reali possibilità applicative della seta prodotta dai ragni
 I rapporti tra la struttura e le proprietà meccaniche della fibra;
 Il ruolo che riveste il processo di formazione della fibra nella
determinazione di tali proprietà;
 La capacità degli approcci biotecnologici nella produzione e nella
manipolazione della fibra in modo da imitare le proprietà delle fibre
naturali;
 Le probabilità che le applicazioni commerciali di queste fibre,
uniche nel loro genere,divengano possibili in un futuro immediato.