Influencia de la radiación ultravioleta en el comportamiento mecánico y en la microestructura de las fibras de seda de araña

Resumen Las fibras de seda de araña constituyen un material enormemente atractivo. Su elevada resistencia y deformabilidad lo convierten en el material con mayor trabajo de fractura de todos los conocidos. Esta singular propiedad ha justificado que se hayan dedicado importantes esfuerzos a intentar producir fibras inspiradas en la seda de araña, ya que las particularidades de las arañas hacen inviable la recolección del material natural en cantidad industrial, tal y como se realiza con el gusano de seda. La estrategia para la producción de las fibras de seda artificiales se ha basado en la síntesis de proteínas inspiradas en las de la seda natural mediante Ingeniería Genética, y en su posterior hilado. Ambas partes del proceso presentan unas dificultades técnicas considerables por lo que, pese a los esfuerzos realizados, las fibras bioinspiradas no han llegado aún a igualar las propiedades de la seda producida por las arañas. Una de las causas a las que se atribuye la dificultad de reproducir en las fibras artificiales bioinspiradas las propiedades del material natural es la diferencia de tamaño entre las proteínas naturales y los fragmentos clonados. En efecto, las técnicas de Ingeniería Genética actualmente sólo pueden producir de manera eficiente proteínas con pesos moleculares que son del orden de cinco veces menores que los de las proteínas naturales. Sin embargo, debido a que actualmente no se conoce en detalle el proceso de hilado de estas proteínas tampoco puede descartarse que las pobres propiedades de las fibras bioinspiradas no sean también el resultado de un procesamiento menos optimizado que el natural. Basándonos en los estudios previos realizados sobre polímeros semicristalinos, dentro de los cuales se encuentra la seda de araña, se sabe que la radiación ultravioleta (UV) modifica la estructura de los enlaces de los materiales. Dicha modificación podría estar asociada a una disminución del peso molecular de las cadenas, si el único evento generado por la radiación UV es la rotura de enlaces o, alternativamente, a su aumento por la aparición de radicales libres muy reactivos, que puedan llevar a la formación de entrecruzamientos. En cualquiera de los dos casos, el estudio de la influencia de la radiación UV sobre la seda de araña natural debe permitir profundizar en la influencia del peso molecular de las cadenas en las propiedades mecánicas de la seda de araña. Por este motivo, el propósito general de este trabajo ha sido establecer una relación entre la variación tanto de las propiedades mecánicas como de la microestructura de la seda de araña y el tamaño de las proteínas que la constituyen cuando el material se somete a la radiación UV. Para la ejecución del trabajo se ha empleado seda de la glándula ampollácea mayor (MAS) de la especie Argiope trifasciata, habiéndose estudiado el comportamiento en tracción simple de fibras de seda sometidas a diferentes tiempos de irradiación con luz UV de longitudes de onda de 254, 312 y 365 nm, situadas en el entorno de la energía de enlace de las cadenas poliméricas. Se ha analizado en detalle la variación del peso molecular de las proteínas de la seda de araña cuando se somete el material a la radiación UV. Para ello ha sido necesario poner a punto una serie de técnicas de Biología Molecular, adaptándolas a las particularidades de la seda de araña. La caracterización se ha completado con un análisis fractográfico de fibras sometidas a diferentes tiempos de irradiación. Las variaciones de la microestructura de la seda de araña generadas por la radiación UV se han analizado mediante técnicas de difracción de rayos X y espectroscopía Raman. La combinación de ambas técnicas ha permitido caracterizar de una forma completa la influencia de la radiación UV en la microestructura de la seda, tanto en las regiones amorfas como en las cristalinas. La combinación de la caracterización mecánica, microestructural y bioquímica ha permitido concluir que la radiación UV produce la rotura de enlaces covalentes y, consiguientemente, una disminución del peso molecular de las proteínas que constituyen la seda de araña. Sin embargo, se ha encontrado que las fibras de seda presentan una significativa tolerancia al daño a nivel molecular, ya que la variación de las propiedades mecánicas se aprecia en etapas relativamente tardías del proceso de degradación. Los resultados obtenidos sugieren que un gran tamaño molecular no es un requisito imprescindible para la obtención de buenas propiedades mecánicas y que, probablemente, el papel del procesado de las fibras durante su hilado sea un elemento de mayor importancia de cara a la fabricación de fibras biomiméticas inspiradas en el hilo de araña. Summary Spider silk fibers are an enormously attractive material. Their high tensile strength and strain to breaking impart them with the highest work to fracture of all known materials. This singular property has justified the significant efforts devoted to producing fibers inspired in spider silk. Taking into account that the peculiarities of spiders make impossible the retrieval of natural material, a procedure well established with silkworm silk, the strategy for the production of artificial silk fibers inspired relies upon the synthesis of genetically engineered proteins inspired in those of natural silk, and its subsequent spinning. Both steps of the process represent considerable technical difficulties so that, despite painstaking efforts, bioinspired fibers have not reached the properties exhibited by the natural silk spun by spiders. One of the reasons assumed to make difficult the reproduction of the properties of the natural material in artificial bioinspired fibers is the difference in the molecular weight between natural and cloned proteins. Genetic Engineering techniques only can produce small proteins efficiently, which are approximately five times shorter than natural ones. Nevertheless, since the spinning process is not known with sufficient detail, it cannot be discarded that the poor properties of bioinspired fibers are also the result of an artificial processing less optimized than the natural one. Based on previous studies performed on semicrystalline polymers, to which spider silk belongs, it has been found that ultraviolet (UV) radiation modifies the bonding organization of these materials. This modification could be associated with a reduction in the molecular weight of the chains, if the only event generated by UV radiation is the breaking of covalent bonds or, alternatively, with an increase of molecular weight associated with the creation of crosslinks by active free radicals. Whatever the case, the study of the influence of UV radiation on natural spider silk must allow gaining a deeper understanding on the influence of molecular weight of the chains in the tensile properties of spider silk. Following this rationale, the general purpose of this work has been to establish a relation between the variation of both the tensile properties and microstructure of spider silk, and the molecular weight of the constitutive proteins, when the fibers are subjected to UV radiation. The material chosen for this work was silk fibers spun from the major ampullate silk gland (MAS) of the species Argiope trifasciata. The tensile properties of silk fibers subjected to different irradiation times with UV light of wavelength 254, 312 and 365 nm close -to bond energies of the polymeric backbone- have been characterized. The variation of the molecular weigth of silk proteins after UV irradiation was analysed in detail. This step has required the implementation of a number or Molecular Biology techniques, and their adaptation to the peculiarities of spider silk. The characterization was completed with a fractographic analysis of fibers subjected to different irradiation times. Microstructural variation generated by UV radiation were analysed with X ray diffraction as well as Raman spectroscopy. The combination of both techniques allowed a complete characterization of the influence of UV light on silk microstructure, both in amorphous as well as crystalline regions. The combination of mechanical, microstructural and biochemical characterization has allowed concluding that UV radiation provokes the breaking of covalent bonds and, consequently, the decrease in the molecular weight of the silk proteins. However, it has been found that silk fibers show a significant tolerance to damage at a molecular level, since the variation in the tensile properties is observed at relatively late steps of the molecular degradation. The above results suggest that the outstanding properties of spider silk are not only based on a large molecular weight, and that silk processing must play a major role on the fiber performance

Efecto de la Longitud de onda de la radiación UV sobre la seda de araña

En el presente trabajo se continúa el análisis de la influencia de la radiación UV sobre las propiedades mecánicas de las fibras de seda de araña. Para ello se ha empleado la seda producida por la glándula ampollácea mayor de la especie Argiope trifasciata y se ha estudiado el comportamiento en tracción simple de fibras de seda sometidas a diferentes tiempos de irradiación con luz UV de longitudes de onda de 254, 312 y 365 nm. Se ha encontrado que la radiación ultravioleta disminuye la tensión de rotura y la deformación de rotura modificando, en algunos casos, el aspecto general de las curvas tensión-deformación. Además se ha hecho uso de la radiación UV de longitud de onda de 254 nm para introducir daño en las fibras con objeto de realizar un análisis fractográfico sistemático. El estudio se complementa con la evaluación del efecto producido por la irradiación en el fenómeno de supercontracción

The variability and interdependence of spider viscid line tensile properties

True stress-true strain curves of naturally spun viscid line fibers retrieved directly from the spiral of orb-webs built by Argiope trifasciata spiders were measured using a novel methodology. This new procedure combines a method for removing the aqueous coating of the fibers and a technique that allows the accurate measurement of their cross sectional area. Comparison of the tensile behaviour of different samples indicates that naturally spun viscid lines show a large variability, comparable to that of other silks, such as major ampullate gland silk and silkworm silk. Nevertheless, application of a statistical analysis allowed identifying two independent parameters that underlie the variability and characterize the observed range of true stress-true strain curves. Combination of this result with previous mechanical and microstructural data suggested the assignment of these two independent effects to the degree of alignment of the protein chains and to the local relative humidity which, in turn, depends on the composition of the viscous coating and on the external environmental conditions

Influencia de la radiación UV en las propiedades mecánicas y en el comportamiento en fractura de un polimero artificial bioinspirado en la seda de araña

En el presente trabajo se estudia la influencia de la radiación UV sobre las propiedades mecánicas y las superficies de fractura de un polímero artificial bioinspirado en la seda de araña. Las fibras de seda de araña constituyen un material enormemente atractivo ya que su elevada resistencia y deformabilidad lo convierten en el material con mayor trabajo hasta rotura de los conocidos hasta el momento. Además se ha encontrado que posee una elevada biocompatibilidad y un comportamiento biodegradable. Debido a estas excelentes propiedades se han dedicado importantes esfuerzos a intentar producir fibras inspiradas en la seda de araña. Fruto de estos esfuerzos es el polímero artificial estudiado en este trabajo. Dicho polímero presenta una secuencia de aminoácidos inspirada en la spidroína 1, que es una de las dos proteínas que conforman la seda de araña natural. Uno de los factores más perjudiciales para los polímeros es la radiación ultravioleta (UV), de presencia ubicua en aplicaciones al aire libre, ya que puede provocar la modificación de sus enlaces covalentes y, como consecuencia, modificar sus propiedades mecánicas. Para evaluar el efecto de la radiación UV sobre el material bioinspirado se ha estudiado el comportamiento a tracción simple de fibras sometidas a diferentes tiempos de irradiación con luz UV de longitud de onda de 254 nm. Se ha observado que la radiación UV de 254 nm modifica considerablemente las propiedades mecánicas de este material a tiempos de exposición elevados (a partir de 3 días de irradiación). Además se ha estudiado el comportamiento a fractura de este material cuando es irradiado con luz UV. Se ha observado que a medida que aumenta el tiempo de irradiación las superficies de fractura comienzan a ser cada vez más planas, obteniéndose un aspecto extremadamente especular para muestras irradiadas durante 16 día

The Imaging and Slitless Spectroscopy Instrument for Surveys (ISSIS): expected radiometric performance, operation modes and data handling

ISSIS is the instrument for imaging and slitless spectroscopy on-board WSO-UV. In this article, a detailed comparison between ISSIS expected radiometric performance and other ultraviolet instruments is shown. In addition, we present preliminary information on the performance verification tests and on the foreseen procedures for in-flight operation and data handling

Comparación de la Resistencia mecánica y disipación de energía de la seda de seguridad y de la seda víscida de araña

Las fibras de seda son materiales biológicos estructurales que presentan excelentes propiedades mecánicas. Las fibras de seda del hilo de seguridad producido por las arañas presentan unas propiedades mecánicas sólo superadas –en algunas propiedades– por las fibras sintéticas de altas prestaciones. Estas excelentes propiedades, y el hecho de que la biotecnología permite en la actualidad producir fibras bioinspiradas, fundamentan el interés de estudiar las propiedades de diferentes sedas, relacionando la composición y el comportamiento mecánico. El presente artículo aborda el estudio de las propiedades de los hilos de seda víscida, comparándolos con los hilos de seguridad. Al mismo tiempo se ha estudiado la relación entre las propiedades de los hilos de seda víscida y su situación en las telarañas, con el fin de analizar estas construcciones desde el punto de vista estructural. Los resultados muestran una enorme variabilidad de propiedades dentro de la telaraña, sin correlación con la situación. Además se ha encontrado una sorprendente similitud entre las propiedades mecánicas de ambos hilos

Sequential origin in the high performance properties of spider dragline silk

Major ampullate (MA) dragline silk supports spider orb webs, combining strength and extensibility in the toughest biomaterial. MA silk evolved ~376 MYA and identifying how evolutionary changes in proteins influenced silk mechanics is crucial for biomimetics, but is hindered by high spinning plasticity. We use supercontraction to remove that variation and characterize MA silk across the spider phylogeny. We show that mechanical performance is conserved within, but divergent among, major lineages, evolving in correlation with discrete changes in proteins. Early MA silk tensile strength improved rapidly with the origin of GGX amino acid motifs and increased repetitiveness. Tensile strength then maximized in basal entelegyne spiders, ~230 MYA. Toughness subsequently improved through increased extensibility within orb spiders, coupled with the origin of a novel protein (MaSp2). Key changes in MA silk proteins therefore correlate with the sequential evolution high performance orb spider silk and could aid design of biomimetic fibers

Identification and dynamics of polyglycine II nanocrystals in Argiope trifasciata flagelliform silk

Spider silks combine a significant number of desirable characteristics in one material, including large tensile strength and strain at breaking, biocompatibility, and the possibility of tailoring their properties. Major ampullate gland silk (MAS) is the most studied silk and their properties are explained by a double lattice of hydrogen bonds and elastomeric protein chains linked to polyalanine β-nanocrystals. However, many basic details regarding the relationship between composition, microstructure and properties in silks are still lacking. Here we show that this relationship can be traced in flagelliform silk (Flag) spun by Argiope trifasciata spiders after identifying a phase consisting of polyglycine II nanocrystals. The presence of this phase is consistent with the dominant presence of the –GGX– and –GPG– motifs in its sequence. In contrast to the passive role assigned to polyalanine nanocrystals in MAS, polyglycine II nanocrystals can undergo growing/collapse processes that contribute to increase toughness and justify the ability of Flag to supercontract

Unexpected behavior of irradiated spider silk links conformational freedom to mechanical performance

Silk fibers from Argiope trifasciata and Nephila inaurata orb-web weaving spiders were UV irradiated to modify the molecular weight of the constituent proteins. Fibers were characterized either as forcibly silked or after being subjected to maximum supercontraction. The effect of irradiation on supercontraction was also studied, both in terms of the percentage of supercontraction and the tensile properties exhibited by irradiated and subsequently supercontracted fibers. The effects of UV exposure at the molecular level were assessed by polyacrylamide gel electrophoresis and mass spectrometry. It is shown that UV-irradiated fibers show a steady decrease in their main tensile parameters, most notably, tensile strength and strain. The combination of the mechanical and biochemical data suggests that the restricted conformational freedom of the proteins after UV irradiation is critical in the reduction of these properties. Consequently, an adequate topological organization of the protein chains emerges as a critical design principle in the performance of spider silk

Minor ampullate silks from Nephila and Argiope spiders: tensile properties and microstructural characterization

The mechanical behavior and microstructure of minor ampullate gland silk (miS) of two orb-web spinning species, Argiope trifasciata and Nephila inaurata, were extensively characterized, enabling detailed comparison with other silks. The similarities and differences exhibited by miS when compared with the intensively studied major ampullate gland silk (MAS) and silkworm (Bombyx mori) silk offer a genuine opportunity for testing some of the hypotheses proposed to correlate microstructure and tensile properties in silk. In this work, we show that miSs of different species show similar properties, even when fibers spun by spiders that diverged over 100 million years are compared. The tensile properties of miS are comparable to those of MAS when tested in air, significantly in terms of work to fracture, but differ considerably when tested in water. In particular, miS does not show a supercontraction effect and an associated ground state. In this regard, the behavior of miS in water is similar to that of B. mori silk, and it is shown that the initial elastic modulus of both fibers can be explained using a common model. Intriguingly, the microstructural parameters measured in miS are comparable to those of MAS and considerably different from those found in B. mori. This fact suggests that some critical microstructural information is still missing in our description of silks, and our results suggest that the hydrophilicity of the lateral groups or the large scale organization of the sequences might be routes worth exploring