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La “seda de araña vegana” a base de plantas proporciona una alternativa sostenible a los plásticos de un solo uso


Los investigadores han creado un material escalable, sostenible y a base de plantas que podría reemplazar a los plásticos de un solo uso en muchos productos de consumo. Crédito: Xampla

Los investigadores han creado un material escalable, sostenible y a base de plantas que podría reemplazar a los plásticos de un solo uso en muchos productos de consumo.

Los investigadores, de la Universidad de Cambridge, crearon una película de polímero imitando las propiedades de la seda de araña, uno de los materiales más fuertes de la naturaleza. El nuevo material es tan fuerte como muchos plásticos comunes que se usan hoy en día y podría reemplazar al plástico en muchos productos domésticos comunes.

El material se creó utilizando un nuevo enfoque para ensamblar proteínas vegetales en materiales que imitan la seda a nivel molecular. El método de eficiencia energética, que utiliza ingredientes sostenibles, da como resultado una película independiente similar al plástico, que se puede fabricar a escala industrial. Se puede agregar al polímero un color “estructural” que no se decolora, y también se puede usar para hacer recubrimientos resistentes al agua.

El material es compostable en el hogar, mientras que otros tipos de bioplásticos requieren instalaciones de compostaje industrial para degradarse. Además, el material desarrollado por Cambridge no requiere modificaciones químicas de sus componentes naturales, por lo que puede degradarse de forma segura en la mayoría de los entornos naturales.

El nuevo producto será comercializado por Xampla, una empresa derivada de la Universidad de Cambridge que desarrolla reemplazos para plásticos y microplásticos de un solo uso. La compañía presentará una gama de sobres y cápsulas de un solo uso a finales de este año, que pueden reemplazar el plástico que se usa en productos cotidianos como tabletas para lavavajillas y cápsulas de detergente para ropa. Los resultados se informan en la revista Comunicaciones de la naturaleza.

Productos de consumo veganos de seda de araña

Un ejemplo de un reemplazo del plástico de un solo uso en productos de consumo, producido imitando las propiedades de la seda de araña, uno de los materiales más fuertes de la naturaleza. Crédito: Xampla

Durante muchos años, el profesor Tuomas Knowles del Departamento de Química Yusuf Hamied de Cambridge ha estado investigando el comportamiento de las proteínas. Gran parte de su investigación se ha centrado en lo que sucede cuando las proteínas se pliegan mal o se ‘comportan mal’, y cómo esto se relaciona con la salud y las enfermedades humanas, principalmente Alzheimer enfermedad.

“Normalmente investigamos cómo las interacciones de proteínas funcionales nos permiten mantenernos saludables y cómo las interacciones irregulares están implicadas en la enfermedad de Alzheimer”, dijo Knowles, quien dirigió la investigación actual. “Fue una sorpresa descubrir que nuestra investigación también podía abordar un gran problema de sostenibilidad: el de la contaminación plástica”.

Como parte de su investigación de proteínas, Knowles y su grupo se interesaron en por qué los materiales como la seda de araña son tan fuertes cuando tienen enlaces moleculares tan débiles. “Descubrimos que una de las características clave que le da a la seda de araña su fuerza es que los enlaces de hidrógeno están dispuestos regularmente en el espacio ya una densidad muy alta”, dijo Knowles.

El coautor, el Dr. Marc Rodríguez García, investigador postdoctoral en el grupo de Knowles que ahora es Jefe de I + D en Xampla, comenzó a estudiar cómo replicar este autoensamblaje regular en otras proteínas. Las proteínas tienen una propensión a la autoorganización y el autoensamblaje moleculares, y las proteínas vegetales en particular son abundantes y pueden obtenerse de manera sostenible como subproductos de la industria alimentaria.

“Se sabe muy poco sobre el autoensamblaje de proteínas vegetales, y es emocionante saber que al llenar este vacío de conocimiento podemos encontrar alternativas a los plásticos de un solo uso”, dijo la candidata a doctorado Ayaka Kamada, primera autora del artículo.

Los investigadores replicaron con éxito las estructuras encontradas en la seda de araña utilizando aislado de proteína de soja, una proteína con una composición completamente diferente. “Debido a que todas las proteínas están hechas de cadenas polipeptídicas, en las condiciones adecuadas podemos hacer que las proteínas vegetales se autoensamblen como la seda de araña”, dijo Knowles. “En una araña, la proteína de la seda se disuelve en una solución acuosa, que luego se ensambla en una fibra inmensamente fuerte a través de un proceso de hilado que requiere muy poca energía”.

“Otros investigadores han estado trabajando directamente con materiales de seda como reemplazo del plástico, pero siguen siendo un producto animal”, dijo Rodríguez García. “En cierto modo, hemos creado ‘seda de araña vegana’, hemos creado el mismo material sin la araña”.

Cualquier reemplazo del plástico requiere otro polímero: los dos en la naturaleza que existen en abundancia son polisacáridos y polipéptidos. La celulosa y la nanocelulosa son polisacáridos y se han utilizado para una variedad de aplicaciones, pero a menudo requieren alguna forma de reticulación para formar materiales fuertes. Las proteínas se autoensamblan y pueden formar materiales fuertes como la seda sin modificaciones químicas, pero es mucho más difícil trabajar con ellas.

Los investigadores utilizaron aislado de proteína de soja (SPI) como su proteína vegetal de prueba, ya que está fácilmente disponible como subproducto de la producción de aceite de soja. Las proteínas vegetales como SPI son poco solubles en agua, lo que dificulta el control de su autoensamblaje en estructuras ordenadas.

La nueva técnica utiliza una mezcla de acético respetuosa con el medio ambiente. ácido y agua, combinada con ultrasonidos y altas temperaturas, para mejorar la solubilidad del SPI. Este método produce estructuras de proteínas con interacciones intermoleculares mejoradas guiadas por la formación de enlaces de hidrógeno. En un segundo paso se elimina el disolvente, lo que da como resultado una película insoluble en agua.

El material tiene un rendimiento equivalente al de los plásticos de ingeniería de alto rendimiento, como el polietileno de baja densidad. Su fuerza radica en la disposición regular de las cadenas polipeptídicas, lo que significa que no hay necesidad de reticulación química, que se usa con frecuencia para mejorar el rendimiento y la resistencia de las películas de biopolímero. Los agentes de reticulación más utilizados no son sostenibles e incluso pueden ser tóxicos, mientras que la técnica desarrollada por Cambridge no requiere elementos tóxicos.

“Esta es la culminación de algo en lo que hemos estado trabajando durante más de diez años, que es comprender cómo la naturaleza genera materiales a partir de proteínas”, dijo Knowles. “No nos propusimos resolver un desafío de sostenibilidad; nos motivó la curiosidad sobre cómo crear materiales sólidos a partir de interacciones débiles”.

“El avance clave aquí es poder controlar el autoensamblaje, por lo que ahora podemos crear materiales de alto rendimiento”, dijo Rodríguez García. “Es emocionante ser parte de este viaje. Hay un problema enorme, enorme, de contaminación plástica en el mundo, y estamos en la posición afortunada de poder hacer algo al respecto “.

Referencia: “Autoensamblaje controlado de proteínas vegetales en películas nanoestructuradas multifuncionales de alto rendimiento” por Ayaka Kamada, Marc Rodríguez-García, Francesco Simone Ruggeri, Yi Shen, Aviad Levin y Tuomas PJ Knowles, 10 de junio de 2021, Comunicaciones de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41467-021-23813-6



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