YouTube

Artigos Recentes

Teia do Homem-Aranha: Realidade ou Fantasia?


- Atualizado no dia 22 de novembro  de 2018 -

Compartilhe o artigo:



          Quando o adolescente e estudante Peter Parker veste sua roupa apertada e estilosamente pintada de azul e vermelho, você já sabe o que esperar: piadas cretinas, vilões irritados e muita pancadaria! Criado na década de 1960 pelo editor-roteirista Stan Lee e pelo artista-roteirista Steve Ditko, o super-herói Homem-Aranha acabou se tornando uma das personagens mais populares do universo dos quadrinhos. Basicamente, a história do herói acompanha um adolescente órfão (criado pelos tios, Ben e May) que é picado por uma aranha radioativa, evento este que lhe confere poderes fantásticos, os quais incluem superforça, agilidade, capacidade de se aderir nas paredes pelas pontas dos dedos e uma espécie de sexto sentido para o perigo. Esses poderes representariam as habilidades de uma aranha genérica ampliadas para uma escala humana - o "sexto sentido" talvez faça referência à ampla visão das aranhas proporcionada pelos vários olhos na sua cabeça.

          Bem, obviamente, tudo não passa de uma ficção, mas um detalhe marcante dessa personagem chama bastante a atenção dos cientistas: a teia que sai do seu lançador! Será que a teia do Homem-Aranha foge muito da realidade quando comparada com uma teia real? Em outras palavras, seria necessário o Parker inventar um material novo e "mágico" para suportá-lo pelos seus balanços entre os prédios e suas quedas, ou uma teia de aranha em maior escala resolveria o problema?

- Continua após o anúncio -



Primeira aparição do herói (1962)
           Nos quadrinhos, Peter Parker é praticamente um gênio da química e consegue criar um material imitando a teia de aranha: uma mistura líquida que quando esguichada e em contato com o ar atmosférico se solidifica. Na adaptação de cinema em 2002 o Peter Parker (interpretado pelo ator Norte-Americano Tobey Maguire) inclusive produzia teia do próprio corpo. Você pode ficar tentado a achar que o material produzido pelo dispositivo do lançador de teia do Homem-Aranha represente apenas um artifício fantasioso, se afastando muito de uma real teia de aranha, esta a qual - mesmo em uma escala humana - não chegaria nem perto das propriedades retratadas nos quadrinhos, ou seja, permitir manobras loucas no ar e possuir uma extrema resistência. E é aqui que você se engana!


           As teias das aranhas da vida real são um dos materiais orgânicos e naturais mais resistentes que se conhece e sua aparente fragilidade é apenas porque a espessura dos fios associados é extremamente pequena. Além disso, sua capacidade de absorver energia cinética é muito grande (alta tenacidade, devido à alta força de tensão e elasticidade). O Homem-Aranha poderia, de fato, 
disparar reais teias de "escala humana" porque o material constituinte, além de ser muito adesivo dependendo do tipo de seda produzido (nesse caso, teias de captura, possuidoras de colas glicoproteicas), também são super fortes, muito flexíveis e amortecedores. Com uma ou outra suspensão de descrença, o Peter Parker teria "apenas" que descobrir como as aranhas criam suas teias a partir das suas glândulas e imitar o processo no seu dispositivo. Aliás, os cientistas há décadas buscam esse feito. 

Será que a poderosa teia do Homem-Aranha foge tanto assim da realidade? 

            Cerca de 400 milhões de anos de evolução permitiram que as teias das aranhas ganhassem uma ampla variedade de usos entre esses aracnídeos (locomoção, habitação, caça), especialmente quando a tarefa é capturar presas. Essas teias são produzidas por glândulas derivadas de células epiteliais e constituídas por fios de seda compostos por uma estrutura proteica polimérica - contendo um número de proteínas chamadas de espidroínas -, cuja proteína base é a fibroina. A estrutura organizacional multinivelada desses fios de de seda conferem suas propriedades mecânicas, químicas e biológicas únicas, incluindo alta força de tensão e alta tenacidade. 

          Apesar dos cientistas já serem capazes de produzir materiais poliméricos sintéticos com uma estrutura química similar a esses fios, as versões sintéticas são ainda, no geral, significativamente inferiores em qualidade mecânica, por possuírem uma falta de hierarquia estrutural e de nanofibras cristalizadas com uma determinada orientação que continuam sendo alcançadas apenas pelo maquinário das aranhas. Além das suas magníficas propriedades mecânicas, a produção dos fios naturais de aranhas ocorre em temperatura e pressão ambientes, usa como solvente apenas água, e resulta em um material muito pouco denso ("leve") e bastante flexível. É um material dos sonhos na natureza. A teia de aranha é tudo o que o Peter Parker precisa para auxiliá-lo nas suas aventuras!


Entre os animais que produzem seda, como o bicho-da-seda, as aranhas são os únicos representantes em que um indivíduo pode tecer diferentes tipos desse material, dependendo da necessidade de momento (inclusive, uma típica teia costuma ter, no mínimo, 5 diferentes tipos de fios); o fio de seda das aranhas são formados por três tipos de uma proteína chamada fibroina: fibroina de cadeias pesadas (cadeia-H), fibroina de cadeia leve (cadeia-L) e proteína fibrohexamerina (fhx/P25); acredita-se que a cadeia-H seja a principal responsável pelas propriedades mecânicas da seda

- Continua após o anúncio -



          Mas até agora não demos uma dimensão do poder dos fios de teia das aranhas, certo? Bem, meu caro, então vamos para uma das famílias de aranhas mais estudadas, e cujos segredos bioquímicos e biofísicos são incansavelmente perseguidos pelos cientistas: Araneidae. Englobando mais de 3 mil espécies divididas em 170 gêneros, os fios de seda produzidos pelos aracnídeos dessa família possuem atributos mecânicos assombrosos. Gêneros como o Nephila e o Araneus detêm espécies que produzem teias com fibras possuindo tenacidade superando em 3 vezes as fibras de aramid ( matéria-prima do Kevlar, usado em coletes a prova de bala) e cerca de 5 vezes mais forte do que o aço (Ref.2)! 
 

  
           E dentro da família Aranidae, encontramos um prodígio: a espécie Caerostris darwini. Descoberta em 2009 e encontrada em Madagascar, África, elas são as únicas conhecidas que constroem teias acima de cursos de água, como rios e lagos ( de forma quase exclusiva), e de enormes dimensões. Apesar das fêmeas dessa espécie não passarem muito dos 1,5 cm de comprimento, pesarem em torno de 0,5 gramas e terem os machos 10 vezes menores, essas aranhas são responsáveis pelas maiores teias do mundo. A área circular das teias chega a ter 2,8 metros quadrados (B) e os fios 'pontes' que mantêm a estrutura suspensa pode cobrir os 25 metros de comprimento (A)! Para que essas imensas construções fiquem estáveis e minimizem os danos causados pelas adversidades climáticas e esbarrão de animais (incluindo as presas), os fios de seda da sua estrutura possuem propriedades mecânicas mais do que impressionantes.

         Experimentos (Ref.3) já mostraram que a tenacidade (quantidade de energia mecânica necessária para provocar uma fratura em um material) dos fios de seda mais poderosas da C. darwini possui um valor entre 350 e 500 MJ/m3! Como comparação o Kevlar possui uma tenacidade em torno de 50 MJ/m3. Em termos de tensão máxima (limite de ruptura, basicamente o quanto de peso-força é suportada por unidade de área no fio antes de parti-lo), o valor pode ultrapassar os 1800 MPa! Nesse último parâmetro mecânico, como comparação, o aço comum possui uma tensão máxima em torno de 400 MPa. Além de tudo isso, esse fio possui uma densidade menor do que aquele feito por outras aranhas e uma capacidade elástica duas vezes maior.
 
 
Os fios produzidos pela C. darwini chegam a ser 10X mais poderosos do que o Kevlar!
   
           Por isso há duas décadas os cientistas perseguem com entusiasmo uma forma de produzir em largas quantidades os fios de seda das aranhas. Criar aranhas para cultivar fios de seda é muito trabalhoso - são animais territorialistas, agressivos e com tendências canibais - e rende quantidades muitos baixas do material desejado. Genes responsáveis pela produção das proteínas e outros constituintes dos fios já foram identificados e até expressos em cabras para o leite desses animais produzissem a proteína. De fato, a produção sintética de teias de aranha tem sido baseada essencialmente na expressão de genes desses aracnídeos em vários sistemas, incluindo bactérias da espécie Escherichia coli, leveduras, planta do tabaco, cultura de células mamárias e, de forma mais promissora, nos bichos-da-seda (Bombyx mori). 

           Embora aranhas e bichos-da-seda não serem próximo-relacionados em termos filogenéticos, as características de produção dos fios de seda em ambos são relativamente similares. Além disso, bichos-da-seda, em contraste às aranhas, têm sido historicamente usados em larga escala para a produção lucrativa de seda. Mas é válido mencionar que, desconsiderando fatores comerciais, fios proteicos produzidas por culturas de bactérias E. coli têm se mostrado os mais poderosos fios sintéticos de aranha até o momento (força de tenção >1000 MPa) (Ref.19).

           Em um estudo de 2014, bichos-de-seda receberam um gene associado à teia da espécie de aranha Araneus ventricosus (outra possuidora de poderosas teias, e cuja tenacidade dos fios, sob certas taxas de tensão, pode alcançar 1000 MJ/m3, segundo alguns reportes científicos). Com esse procedimento de transgenia, os pesquisadores conseguiram uma seda com 53% mais tenacidade do que o normal (Ref.2). Mais recentemente, em um estudo publicado na Scientific Reports (Ref.20), pesquisadores inseriram dois genes associados às teias de duas espécies de aranhas - o gene ASG1 (cola agregadora de teia 1) da Trichonephila clavipes e o gene PySp1 (espidroína piriforme 1) da Argiope argentata - nas glândulas posteriores de seda de bichos-da-seda, gerando duas linhagens de animais transgênicos. Os bichos-da-seda transgênicos carregando o gene PySp1 foram capazes de produzir uma fibra de seda com uma tenacidade até 91,5% maior e com um estresse máximo aumentado em 36,9%.


Qual o segredo delas?

          Estudando o fio de teia da perigosa aranha-marrom (gênero Loxosceles) - o qual é 1000 vezes mais fino do que o cabelo humano, mas possuindo as super propriedades mecânicas já mencionadas - os pesquisadores reportaram no periódico ACS Macro Letters (Ref.8) que sua estrutura é, na verdade, formada por milhares (~2500) de nanofios dispostos em paralelo e densamente empacotados. Cada um desses nanofios possui apenas 20 nanômetros (1/20 de um milímetro) de diâmetro e cerca de 1 mícron de comprimento na média. Toda a estrutura do fio dessa aranha é composta por esses nanofios, estes os quais podem representar o segredo da grande resistência e força do material constituinte das teias (possuindo todas as características biomecânicas do fio em dimensões macro). Os pesquisadores estimaram também que a força de quebra de um nanofio é de ~120 nN. Já havia sido proposto que nanofibras estruturavam os fios de teia, mas só agora provou-se isso em pelo menos um gênero de aranha. Será que esse tipo de nanoestrutura está presente nas teias em geral?


         Usando esses novos conhecimentos sobre a estrutura fundamental dos fios de aranha, outra estratégia sendo usada pelos cientistas para a produção sintética de superfios baseia-se no desenvolvimento de materiais muito parecidos com os fios naturais ou até superiores, seguindo como modelo de referência as características químicas e físicas (a níveis nano e macro) das teias.

- Continua após o anúncio -



         Bem, de qualquer forma, saindo do mundo real, nada mais natural do que um gênio da química nos quadrinhos descobrir a chave para a produção sintética e acurada das teias. E mais: com o Peter Parker usando reais teias, a cidade nem sofreria com a poluição, já que elas são biodegradáveis! Nosso 'Amigão da Vizinhança' ainda seria também o 'Amigão do Verde'. Mas aqui também entra um problema. Não basta apenas descobrir como produzir os fios de seda das aranhas, como também é necessário que o Homem-Aranha os libere como um jato de mínima espessura para o uso durante suas patrulhas. Porém, isso é complicado, já que existe a necessidade do solvente (água) saia da mistura proteica enquanto é liberado do dispositivo. No caso dos fios das aranhas, isso é bem mais fácil por causa da ínfima espessura dos fios, tornando rápida a passagem da água ali presente para o ar atmosférico. 

          Nesse último ponto, ou o Peter usa outro processo de fabricação dos fios, aplicando um solvente muito volátil (algo talvez muito complicado caso a estrutura natural da teia seja o objetivo final) ou ele usa um disparador ultra sofisticado que permita o disparo de inúmeros pequenos filetes da mistura líquida que se unem depois de solidificados em um fio mais grosso para o Cabeça-de-Aranha usar. Bem, ou o Peter também é um gênio da engenharia mecânica, ou  ele teve uma ajuda secreta do Tony Stark...



-----------
CURIOSIDADE: Você já reparou que quando uma aranha está usando sua teia para descer do teto até o chão - no estilo "Missão Impossível" - ela o faz de forma bem graciosa e estável, sem sair espiralando de forma incontrolável (rodando em volta de si)? Sim, porque o esperado era a teia se comportar como uma corda normal ou um fio de metal e forçar a aranha a descer rodando, devido às forças de torção. Ou seja, temos aqui outra habilidade fantástica dos fios de teia!

         Um estudo publicado em 2017 no Applied Physics Letter (Ref.17) mostrou que os fios de teia conseguem dissipar energia que, caso contrário, iria excitar a aranha a rodopiar na extremidade desse fio quando descendo dependurada através dele. Diferente de fibras sintéticas e metais, os fios das aranhas deformam um pouco quando torcidas, fazendo com seja liberado mais de 75% da sua energia potencial e, consequentemente, que as oscilações rapidamente diminuam. Após a torção, a teia parcialmente volta ao seu estado inicial.

          Os pesquisadores responsáveis pelo estudo suspeitam que este estranho comportamento mecânico esteja ligado à complexa estrutura física da teia, a qual consiste em um núcleo de múltiplas fibrilas. Cada fibrila possui segmentos de aminoácidos em lâminas organizadas e outras em cadeias repetitivas desestruturadas. Uma força de torção aplicada faria com que as lâminas se flexionem como elástico, entortando as ligações de hidrogênio entre as cadeias e deformando a estrutura dessas últimas como plástico. As lâminas podem recuperar seu forma original, mas as cadeias permanecem parcialmente deformadas.

         Entender melhor esse mecanismo de resistência dos fios ao espiralamento pode levar à aplicação dessa propriedade em fibras biomiméticas para otimizar cordas de violino, escadas de resgate em helicópteros, cordas de para-quedas, etc.


Artigos Recomendados:
 
REFERÊNCIAS CIENTÍFICAS
  1. http://digitalcommons.usu.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1019&context=biology_posters
  2. http://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0105325
  3. http://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0011234
  4. http://web.mit.edu/mbuehler/www/papers/Nature_Materials_2013_web.pdf
  5. http://www.annualreviews.org/doi/abs/10.1146/annurev-ento-031616-035615
  6. http://www.bbc.com/earth/story/20151126-the-worlds-biggest-spider-web-can-span-an-entire-river
  7. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.biomac.5b00226
  8. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1751616116304258 
  9. http://web.mit.edu/mbuehler/www/ 
  10. http://link.springer.com/referenceworkentry/10.1007/978-94-007-6178-0_269-2
  11. http://science.sciencemag.org/content/295/5554/472 
  12. http://www.nature.com/nature/journal/v424/n6952/abs/nature01809.html
  13. http://rspb.royalsocietypublishing.org/content/263/1367/147.short
  14.  http://www.nature.com/nmat/journal/v15/n10/full/nmat4697.html
  15. http://science.sciencemag.org/content/291/5513/2603 
  16. http://www.nature.com/nature/journal/v410/n6828/abs/410541a0.html
  17. http://dx.doi.org/10.1063/1.4990676
  18. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmacrolett.8b00678
  19. Bowen, C.H. (2018). "Recombinant Spidroins Fully Replicate Primary Mechanical Properties of Natural Spider Silk]". Biomacromolecules. 19 (9): 3853–60.
  20. Zhong et al. (2021). High mechanical property silk produced by transgenic silkworms expressing the spidroins PySp1 and ASG1. Scientific Reports 11, 20980. https://doi.org/10.1038/s41598-021-00029-8