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¿Cómo realizan estudios de la biomecánica de las telarañas?

Hoy hablemos de Proteínas fibrosas, una breve revisión de la literatura.

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Es bien sabido que las telarañas despiertan la curiosidad científica por las propiedades de los materiales con las que las producen, exploremos brevemente las razones detrás de estos estudios, sus características distintivas, y la base de las investigaciones centradas en la biomecánica de las telarañas.

La seda de las arañas presenta una estructura única que le brinda capacidades físicas de gran potencial de las que podemos aprender para la realización de materiales resistentes, demos un vistazo general a estas fascinantes propiedades. 

La seda se puede definir como “proteínas fibrosas semicristalinas extruidas externamente al cuerpo del organismo”, existen entre 7-8 tipos de seda diferentes, los cuales pueden igualar la resistencia a la tracción del acero, al absorber una mayor energía cinética antes de romperse en comparación al material conocido como kevlar (una fibra sintética de un polímero repetitivo 5 veces más resistente que el acero, teniendo en cuenta su tracción por unidad de peso), además de poder estirarse de manera reversible. 

Está conformada por aminoácidos y proteínas ensamblados en fibras a partir de líquidos mediante un proceso que incluye un cambio de fase de líquido a sólido al salir de la glándula de seda hacia el exterior del arácnido, ese cambio en su disposición se da gracias a reacciones de puentes de hidrógeno formando un plegamiento estructural que influye en el rendimiento del material.

Cuando este material se expone a la humedad se da un proceso de super contracción disminuyendo el volumen al tensionar más la seda, fortaleciendo las estructuras, se hipotetiza que este es un mecanismo para controlar la alineación de las moléculas dentro de la seda al hilar. 


Para evaluar la función mecánica se han determinado métodos de cálculo de esfuerzo y deformación donde se evalúan 5 aspectos de rendimiento del material: 

  • Resistencia a distintas fuerzas externas antes de presentar cambios irreversibles 

  • Tracción, cuánta deformación se puede realizar sobre el material antes de que se rompa

  • Extensibilidad, cuánto se puede extender sin romperse

  • Módulo de Young, rigidez del material al resistir la deformación y volver a su forma original (*)), 

  • Punto de cedencia

  • Tenacidad, la energía que absorbe antes de fracturarse bajo tensión

¿Qué es el módulo de Young?

*El módulo de Young, también conocido como módulo de elasticidad, es una medida de la rigidez de un material. Se define como la relación entre el esfuerzo (fuerza por unidad de área) y la deformación (cambio en la longitud original) en la región elástica de la curva esfuerzo-deformación. El módulo de Young proporciona una medida de cuánto se deformará un material bajo una carga determinada y es una propiedad fundamental en la ingeniería y la física de materiales. Un módulo de Young alto indica que el material es rígido y se deforma poco bajo una carga, mientras que un módulo de Young bajo indica que el material es más flexible y se deforma más fácilmente.

Destacan dos aspectos importantes, la tenacidad de la seda sobresale al tener una resistencia a la tracción menor que el kevlar, lo que le brinda una tenacidad mayor, además de presentar una alta histéresis, que es la pérdida de energía en calor al deformarse y liberarse en lugar de almacenarse, lo que es crítico para materiales que soportan impactos de alta energía.

Se han determinado dos tipos de telaraña, las llamadas líneas de vida permiten el soporte de la araña al caer, con un coeficiente de seguridad describiendo como el rendimiento puede superar criterios funcionales como la cantidad de tensión necesaria para fracturar o detener una araña al caer, se sabe que mezclan fibras fibrosas y pegajosas, las líneas de arrastre se aseguran con discos de sujeción. También están los orbes de seda o telarañas orbiculares, utilizadas para la caza de presas voladoras, necesitan una disposición de energía cinética masiva y la necesidad de una fuerte adhesión para que no caigan los insectos.

Hablemos ahora de la comida comercial, ¿alguna vez te preguntaste si lo que dice en la descripción del producto que vas a consumir es verdadera? 

Es bastante común que no se describa exactamente lo que trae una gran cantidad de productos que consumimos, como fue el caso de un estudio realizado en el mercado de comida marina en Corea (y Japón), países que no firmaron el tratado internacional de protección de ballenas, lo que afecta en la conservación y biodiversidad de estas especies marinas afectando ambientalmente estas zonas geográficas, además de este ser un estudio pionero al realizar este tipo de secuencias de ADN.

En este estudio se eligieron 13 muestras de Corea (y una de Japón), donde al realizarse la codificación de ADN se encontraron ballenas y delfines que no pertenecían a la descripción del producto incluyendo especies protegidas que no deberían consumirse, y una muestra llegó a mostrar una mezcla de siete especies diferentes. 

Este tipo de estudios se pueden realizar leyendo el ADN mitocondrial que es altamente conservado en muestras que no están en óptimas condiciones y presenta variaciones específicas entre especies que permiten distinguirlas de una manera más fácil que con otras zonas de lectura. 

Se utilizó la técnica de PCR, que se hizo conocida masivamente en el 2020, la cual funciona amplificando secuencias específicas de ADN, el proceso inicia al calentar la muestra a una temperatura elevada para separar las hebras y obtener una cadena sencilla en lugar del par, se agregan cebadores, que se unen a secuencias específicas que marcan el inicio y el final de la región de ADN que se va a amplificar y la enzima ADN polimerasa copia una nueva cadena (sintetizada). Esto se repite varias veces para obtener una amplificación que permita leer la región seleccionada. 

Al obtener las secuencias, éstas se comparan con otras obtenidas en la misma región, y las que tengan una mayor similitud se asocian al organismo correspondiente, proceso que hoy en día se realiza en bases de datos que conectan información obtenida en todas las regiones con acceso a internet. Al comparar se establece un porcentaje de similitud para establecer la exactitud, dónde si no es muy cercana no se confirma la especie pero se puede suponer una familia o zona geográfica. 

Por último se realizó un árbol filogenético, utilizado para además de estimar la confianza en la identificación de las especies, establecer la cercanía entre las especies y su ubicación geográfica, utilizando las secuencias representativas de las especies conocidas. Para ello se realiza un análisis denominado bootstrap donde los programas utilizados realizan varias repeticiones de los agrupamientos donde se validan las agrupaciones que se han obtenido. 

Ahora se mencionan algunas problemáticas encontradas que actualmente aún presentan desafíos en los análisis:

  • Para las secuencias sintetizadas no existe alguna prueba de lectura que evite que se den recombinaciones artificiales al amplificar, permitiendo errores que podrían aún no ser identificados.

  • Los árboles obtenidos no son completamente confiables ya que la clasificación de las especies puede estar incompleta o no presentar una organización que sea acorde a los datos obtenidos, por esta razón al final del artículo se destacó que había una especie que se ha descrito de cuatro formas diferentes pero los estudios moleculares sugieren que es la misma especie a la que se refieren.

Esto es una pequeña parte de toda la información que puede obtenerse del análisis de ADN.

Revisión por Lausof


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