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

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

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 utilizan hoy en día y podría reemplazar al plástico en muchos productos domésticos comunes.

El material se creó utilizando un enfoque novedoso 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 autoportante similar al plástico, que se puede fabricar a escala industrial. El color “estructural” que no se decolora se puede agregar al polímero y también se puede usar para hacer revestimientos 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 productos de reemplazo para plásticos y microplásticos de un solo uso. La compañía presentará una gama de bolsitas y cápsulas desechables 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.

Durante muchos años, el profesor Tuomas Knowles del Departamento de Química de Cambridge, Yusuf Hamied, 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 la enfermedad humanas, principalmente la enfermedad de Alzheimer.

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

Como parte de su investigación de proteínas, Knowles y su equipo se interesaron en por qué 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, Dr. Marc Rodríguez García, investigador postdoctoral en el grupo de Knowles y ahora jefe de investigación y desarrollo en Xampla, ha comenzado a estudiar cómo replicar este autoensamblaje regular en otras proteínas. Las proteínas tienen una propensión a la autoorganización molecular y al autoensamblaje, y las proteínas vegetales en particular son abundantes y pueden obtenerse de forma 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 estudiante de 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 formadas por 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 trabajado directamente con materiales de seda como sustituto del plástico, pero siguen siendo un producto animal”, dijo Rodríguez García. “De alguna manera hemos llegado a la ‘seda de araña vegana’: hemos creado el mismo material sin la araña”.

Cualquier reemplazo de 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 amplia gama 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 ninguna modificación química, pero son mucho más difíciles de trabajar.

Los investigadores utilizaron aislado de proteína de soja (SPI) como 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 ecológica de ácido acético y agua, combinada con ultrasonidos y altas temperaturas, para mejorar la solubilidad del SPI. Este método produce estructuras de proteínas con interacciones intermoleculares mejoradas impulsadas 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 se requiere reticulación química, que a menudo se usa para mejorar el rendimiento y la resistencia de las películas de biopolímero. Los agentes reticulantes más utilizados son insostenibles e incluso pueden ser tóxicos, mientras que no se requieren elementos tóxicos para la técnica desarrollada por Cambridge.

“Esta es la culminación de algo en lo que hemos estado trabajando durante más de una década, que es comprender cómo la naturaleza genera materiales a partir de proteínas”, dijo Knowles. “No decidimos resolver un desafío de sostenibilidad: nos motivó la curiosidad sobre cómo crear materiales fuertes 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. Existe un enorme problema de contaminación plástica en el mundo y estamos en la posición afortunada de poder hacer algo al respecto”.

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