Investigações estruturais de fibras sintéticas de aranha produzidas por meio de expressão recombinante

Abstract

As sedas de aranhas combinam biocompatibilidade e biodegradabilidade e são conhecidas pelas suas propriedades mecânicas, o que as torna visadas para aplicações médicas, militares e têxteis. Acredita-se que características como força e extensibilidade resultem de motivos de proteína específicos e várias tentativas para sua produção in vitro têm sido feitas, mas as características das fibras sintéticas ainda não são comparáveis às exibidas pelas fibras nativas. A microscopia de força atômica (MFA) foi escolhida para descrever a estrutura da superfície e o comportamento mecânico de 19 fibras sintéticas de aranha, e a microscopia eletrônica de varredura (MEV) foi utilizada para caracterização em dimensões maiores. As seqüências de DNA sintéticas foram construídas combinando motivos de força e extensibilidade, e duas proteínas foram produzidas em Escherichia coli, consistindo as variações em dois resíduos de aminoácidos na seqüência repetitiva de cada proteína (A1S820 e Y1S820). Grupos controle foram mantidos e algumas das fibras foram submetidas a diferentes tratamentos, que incluem testes de tensão e banhos de metanol, isopropanol e /ou água. Imagens da superfície (MEV) e imagens de topografia e fase (MFA) foram adquiridas. Seis parâmetros de rugosidade foram analisados e medidas de espectroscopia de força foram realizadas para a obtenção da mecânica local das fibras. Tratamentos distintos resultaram em diferenças significativas e as fibras sintéticas apresentaram-se heterogêneas, com irregularidades de superfície na maioria dos casos. As diferenças na rugosidade e nos parâmetros mecânicos medidos evidenciam importantes distinções entre as fibras resultantes da proteína A1S820 e da Y1S820. Mostra-se, portanto, que a sequência primária das proteínas é fundamental para as propriedades mecânicas das fibras. Os resultados mostram ainda uma melhoria das propriedades verificadas para o os grupos A1S820 tratados com isopropanol e para o grupo Y1S820 tratado com água. Este estudo avaliou as fibras sintéticas qualitativa e quantitativamente, apontando MFA e MEV como técnicas capazes de descrever de forma única os detalhes particulares da estrutura de superfície das fibras sintéticas de aranha. ______________________________________________________________________________ ABSTRACT

Spider silks combine biocompatibility and biodegradability and are well known for their mechanical properties, what makes them suitable for medical, military and textile purposes. Characteristics such as strength and extensibility are believed to result from specific protein motifs and various attempts on spider silk in vitro production have been made, but synthetic fibers’ characteristics are still not comparable to the properties exhibited by native fibers. Atomic force microscopy (AFM) has been chosen to describe the surface structure and the mechanical behavior of 19 synthetic spider fibers and scanning electron microscopy (SEM) has been used for characterization in higher dimensions. The synthetic DNA sequence was engineered combining strength and extensibility motifs and two synthetic proteins were produced in Escherichia coli. Variations consisted on two amino acid residues on the repetitive sequence of each protein (A1S820 e Y1S820). Control groups were maintained and the some of the fibers were submitted to different types of treatments, which include tensile tests and methanol, isopropanol and/or water bath. Surface images (SEM) and topography and phase images (AFM) were obtained. Six roughness parameters were analyzed and force spectroscopy measurements were also performed in order to verify fibers local mechanics. Distinct treatments resulted on significant differences and the synthetic fibers appeared very heterogeneous, with surface irregularities in most cases. Differences in roughness could also be noticed and the mechanical parameters measured evidence important distinctions among the A1S820 and the Y1S820 fibers. Therefore, it has been shown that the primary sequence of the proteins is fundamental for the mechanical properties of the fibers. Moreover, the results show an improvement of the material properties measured for the A1S820 isopropanol treated groups and the Y1S820 water treated group. This study was able to evaluate synthetic fibers qualitatively and quantitatively, pointing AFM and SEM as techniques able to describe uniquely particular details of synthetic spider fibers surface structure.