La ragnatela di Spider Man presto in commercio? Per produrla batteri e capre Ogm

Risolte alcune sfide tecniche per realizzare una fibra più resistente dell'acciaio e del Kevlar

[10 marzo 2014]

Alex Scott, senior editor per l’Europa di Chemical & Engineering News, il giornale dell’American Chemical Society, pubblica un articolo – Spider Silk Poised For Commercial Entry – che parte da una scena del  film “SpiderMan 2”, dove l’Uomo Ragno impedisce ad un treno pieno di gente di precipitare trattenendolo con una decina di fili di seta di ragno di spessore ciascuno meno di mezzo pollice. Qualcosa di simile potrebbe presto accadere?

Scott intervista Randy Lewis, un professore di biologia ed ingegneria biologica della Utah State University, che da 25 anni lavora per sintetizzare la seta di ragno, e spiega che la scena non è solo fantasia: «Abbiamo calcolato all’incirca quale era lo spessore delle fibre e quanti ne aveva attaccate alle pareti, quanto pesavano il  locomotore e le persone che trasportava, e quanto velocemente andasse. Spider Man sarebbe stato in grado di fermare quel treno».

Pur essendo una proteina, la seta di ragno è 5 volte più forte dell’acciaio e 3 volte più dura del Kevlar. La struttura primaria della seta è la sua sequenza amminoacidica, costituita principalmente da blocchi glicina e alanina ripetuti. Le possibili applicazioni commerciali comprendono cavi e giubbotti antiproiettile. Anche le possibili applicazioni in campo medico sono enormi: le proprietà antimicrobiche della seta di ragno la rendono adatta per le suture delle ferite, e dato che non viene rigettata dal corpo umano può essere usata per fabbricare tendini artificiali o per ricoprire impianti. Ma non è finita: la sua conducibilità termica è simile a quella del rame, ma la densità della sua massa è un settimo del metallo, facendone un potenziale materiale per gestire il calore.

Ma, come fa notare Scott, «raccogliere la seta da un allevamento di ragni, che sono territoriali e cannibali, non è un’opzione».  Per questo alcune imprese che tentano di produrre seta di ragno sintetica hanno copiato i geni adatti dai ragni e li hanno inseriti in organismi come l’Escherichia coli, in grado di produrre la proteina.

L’impresa è però molto complessa, e produrre un materiale forte come quello naturale si è rivelato molto difficile. A questo si aggiunga che la proteina è insolubile in acqua e la fibra è così fine – servono 1.500 filamenti per fare un filo – che le imprese hanno dovuto inventare nuovi sistemi di filatura. Dopo anni di tentativi per produrre seta di ragno commerciale alcune grandi multinazionali, come DuPont e Basf, si sono arrese e nel 2013 hanno abbandonato le loro ricerche in questo campo.

Non si sono invece date per vinte compagnie molto più piccole, e negli ultimi mesi la tedesca AMSilk ha cominciato a vendere proteina di seta di ragno ai produttori di shampoo e cosmetici. Anche altre piccole imprese stanno cercando di commercializzare diverse versioni della seta di Spider Man. Anche se questa industria è appena agli inizi, le proteine della seta di ragno possono essere ormai prodotte ad un prezzo che le rende accessibili per determinate applicazioni, ma non è ancora chiaro se sarà possibile produrre abbastanza tela di ragno ad un prezzo abbordabile per far diventare realtà i super resistenti fili lanciati da Spider Man.

I prodotti  della AMSilk, al momento, non hanno niente a che fare con i supereroi. Sono “nonfiber applications”, cosmetici che rendono la pelle “supersmooth” ed uno  shampoo che aderisce alla cheratina dei capelli, riparando quelli danneggiati e dando loro un aspetto più setoso.

La compagnia, in aggiunta, anticipa che entro maggio produrrà uno spray per accelerare la  guarigione delle ferite. Per produrre la proteina la AMSilk sta utilizzando E. coli geneticamente modificato e sta inserendo nei suoi prodotti 4 varietà di seta derivate dalla sequenza del DNA del ragno crociato (Araneus diadematus), ma nei suoi laboratori bavaresi ha già progettato versioni specifiche di E.coli per produrre una ventina di diversi tipi di seta.

La compagnia tedesca  è già in outsourcing e il direttore Axel H. Leimer assicura che se ci sarà richiesta può aumentare la produzione: «Se qualcuno ce ne ordinasse una tonnellata, potremmo farlo. Abbiamo già fatto mezza tonnellata di questa fibra. Per la prima volta, una company sta producendo una “recombinant spider silk” che è dura e forte come la seta di un ragno. Spero che il know-how di AMSilk permetterà di mettere sul mercato prodotti che generino nel prossimo paio di anni vendite annue per più di 10 milioni di dollari». Quando sarà decollata la produzione su larga scala di fibre sintetiche, l’azienda punta già ad un fatturato di più di 100 milioni di dollari.

La  AMSilk è una start-up con uno staff di sole 25 persone e 22 sono scienziati. Finora  ha investito circa 16 milioni di dollari nella tecnologia sviluppata da Thomas Scheibel, professore di biomateriali all’università di Bayreuth. Leimer, e spera che «entro la fine del 2015 la proteina di seta di ragno dell’AMSilk sarà sul mercato anche come rivestimento delle protesi mammarie al silicone. La proteina cambia le proprietà della protesi, rendendo la superficie idrofoba e con una carica leggermente negativa, riducendo la reazione del corpo. E’ un mercato da milioni di dollari quello per la seta di ragno. L’uscita su larga scala di prodotti quali fibre e tessuti ad alte prestazioni arriverà dopo il 2015. A più lungo termine, AMSilk sta guardando alle capsule per trasportare medicinali e alle perline di seta di ragno in miniatura per vaccini, in modo da evitare la necessità della refrigerazione».

Leimer è convinto che in questo innovativo mercato ci sia spazio per molti protagonisti. Una buona notizia per le compagnie che stanno sviluppando la seta di ragno artificiale, tra le quali ci sono anche i Kraig Biocraft Laboratories del Michigan, che stanno producendo una seta ibrida ragno-baco da seta con bachi da seta transgenici. Nell’ottobre 2013 i Kraig Labs hanno firmato un accordo con  la Warwick Mills per sviluppare e commercializzare insieme tessuti prodotti con questa super-seta.

Kim K. Thompson, fondatore dei Kraig Labs, 10 anni fa propose ai ricercatori della Michigan State University di produrre seta di ragno da bachi da seta transgenici, ma gli venne detto che il suo piano aveva molti problemi dal punto di vista scientifico. Poi lesse un articolo di Malcolm J. Fraser Jr., un professore di biologia dell’università di Notre Dame, che descriveva un processo di trasposizione dei geni da un organismo all’altro. Pochi giorni dopo i due stavano cercando di capire insieme come produrre seta di ragno.

Thompson, che ha fondato i Kraig Labs con soli 500 mila dollari, ora dice: «Ho spremuto più scienza da ogni dollaro investito in questo progetto di quanto probabilmente abbia mai fatto qualsiasi progetto di sviluppo scientifico». Selezionare i bachi da seta come ospiti dei geni del ragno ha consentito ai Kraig Labs di passare direttamente alla produzione delle fibre, ed ora sono ben messi nel business per fornire una seta ibrida ragno-baco, superiore a quella del baco da seta per realizzare tessuti di alta qualità. «Il mercato globale della seta grezza vale 5 miliardi dollari l’anno – sottolinea Thompson – ma il prezzo della seta di ragno deve essere giusto, e questo è il modo più economico per farlo».  Thompson dice che i test hanno avuto successo, che la produzione è già partita e che  ha intenzione di allevare milioni di bachi da seta: per questo sta già pensando ad una seconda fabbrica in Vietnam, dove c’è una fiorente industria del baco da seta.

In Asia i bachi vengono allevati da millenni, ma anche il Korea Advanced Institute of Science & Technology (Kaist) sudcoreano e la start-up giapponese Spiberechnology (KAIST) stanno sviluppando il procedimento che utilizza l’E. coli per produrre seta di ragno. Anche queste due imprese dicono di essere pronte ad immettere loro prodotti sul mercato e sono convinte che saranno commercialmente validi.

Spiber ha raccolto 8.000 mila dollari di finanziamenti dalle banche di investimento giapponesi per sviluppare un processo per produzione di seta di ragno dai batteri Ogm, e prevede di aprire un impianto pilota nel 2015 in grado di produrre 100 kg di fibra di seta di ragno al mese. Alla Spiber dicono che «un solo grammo delle nostre  proteine produce circa 5,6 miglia di seta artificiale». Sang Yup Lee, a capo della synthetic spider silk research della Kaist, afferma: «Stiamo sviluppando un processo basato sull’E. coli  per una seta ad alto peso molecolare, più resistente del Kevlar». La grande sfida che Lee ed il suo team hanno dovuto superare è quella di “impacchettare” abbastanza glicina nella proteina, ma la cosa sembra riuscita, visto che Lee confida a Chemical & Engineering News che ora la Spiber sta valutando di realizzare una partnership con una company per la produzione commerciale di seta di ragno.

Lewis e i suoi colleghi della Utah State University stanno sviluppando quattro diversi ospiti portatoti dei geni della seta di ragno: capre, bachi da seta, E. coli ed erba medica. La Utah State University nel 2012 ha fondato la spin-off company Araknitek per commercializzare le tecnologie.

Gli individui della mandria di capre transgeniche di Lewis sono portatori di un gene che permette ai ragni tessitori di produrre il tipo più forte di seta, quello che il ragno usa per realizzare la linea di fuga. Le capre producono la proteina nel latte e il team di Lewis la estrae da questa con una semplice “depurazione”.  I ricercatori sostengono che l’approccio ragno-capra è ideale per le piccole applicazioni mediche, come suture e legamenti artificiali, e Lewis evidenzia: «Dal punto di vista normativo c’è il vantaggio che dal punto di vista normativo gli animali transgenici sono già stati utilizzati per fare prodotti per la cura della salute».

I test commerciali per il filo di sutura cominceranno nei prossimi mesi, e i vantaggi rispetto ai fili del baco da seta esistenti sono che la seta di ragno è di circa il 50% più sottile e quindi potrebbe piacere molto di più ai chirurghi.

Ma secondo Andrea Ricci, senior analyst di RobecoSAM, una asset management company svizzera che investe in materiali per tecnologie innovative, la produzione da animali transgenici potrebbe rivelarsi problematica: «Se dovessi investire in una spider silk company, guarderei alle biotecnologie classiche come  i sistemi E. coli. Lo scaling up è abbastanza facile. Ma fare scaling up con le capre o i bachi pone una prospettiva completamente diversa. Sono convinto che la seta di ragno sintetica potrebbe sostituire materiali come l’acciaio in una vasta gamma di applicazioni, ma il successo commerciale dipenderà dall’ottenimento del prezzo giusto».

Per esempio, il progetto di Lewis che utilizza l’erba medica Ogm ingegnerizzata con il gene seta di ragno è lontano dall’essere commercialmente valido. Potrebbe essere utilizzato per produrre fibre di seta di ragno per applicazioni tessili o per attrezzature sportive, ma anche Lewis ammette che la trasformazione e purificazione della proteina dall’erba medica è ancora un grande ostacolo.

Per Araknitek l’unica opzione percorribile a breve termine è l’E.coli. A gennaio il team di Lewis è riuscito ad aumentare di 5 volte l’estrazione di seta di ragno nell’E.coli, e pensa di essere in grado di aumentarlo di altre 5 volte in poco tempo. Il progetto sta producendo abbastanza proteine della seta per testarne le  applicazioni e la Utah State University sta costruendo un impianto pilota con due vasche di fermentazione da 500 litri. L’approccio E. coli potrebbe servire a produrre grandi volumi di filo di seta di ragno e Lewis e il suo team stanno lavorando per realizzare fibre, film e gel. Sono in contatto con i produttori di fili per suture, pneumatici, prodotti tessili, airbag per automobili e impianti medici; ai ricercatori Usa è stato anche chiesto se il loro materiale potrebbe sostituire le vele in Kevlar per la Coppa America.

Lewis in risposta ha però dimostrato che anche se Spider Man fosse realmente tanto forte da fermare un treno non potrebbe mangiare abbastanza per produrre tutta la seta organica che produce nei film: ma Araknitek, AMSilk, e le altre compagnie sono certe che presto potranno produrre abbastanza seta di ragno per rifornire il mondo reale.