Il filo di Seta
Genesi & strutturaLa genesi del filo di seta
La Seta viene secreta nelle ghiandole sericigene poste ai lati dell’intestino della larva del Bombyx mori. La ghiandola è costituita da un tubulo a lume variabile ripiegato su sé stesso a formare numerose anse e convoluzioni. La porzione anteriore è lunga fino a 25 cm e presenta un diametro compreso 0.5-0.8 mm. La Porzione mediana è costituita da due anse ripiegate lunghe circa 7 cm e diametro compreso tra 1.3 mm-2.4 mm; questa sezione è la regione di secrezione della sericina. La fibroina è secreta posteriormente e trasferita nella porzione mediana dove si accumula a stretto contatto con la sericina.
Le due proteine, accumulate all’interno della stessa struttura, rimangono separate per probabile effetto di uno strato di sericina a più basso livello di solubilità. La parte prossimale della ghiandola non ha funzione secretiva, ma di sola conduzione e trasporto della massa proteica. All’interno di tale struttura si compie l’intera dinamica del processo di secrezione, concentrazione ed estrusione del polimero che nella conformazione estesa forma la fibra di seta. La soluzione iniziale di fibroina ha una concentrazione del 12% e viene accumulata nella porzione mediana dove subisce una ulteriore riduzione della componente acquosa. Complessivamente il polimero con le due proteine raggiunge una concentrazione complessiva del 30%.
È probabile che la sericina essendo maggiormente idrofila si disponga all’esterno di un nucleo costituito da sola fibroina. Le molecole di fibroina in soluzione hanno uno scarso orientamento e le evidenze sperimentali hanno dimostrato la presenza di catene polipeptidiche ripiegate più volte lungo l’asse longitudinale. I segmenti adiacenti di ogni catena polipeptidica sono legati chimicamente attraverso molecole di acqua. La quantità di acqua decresce con la concentrazione del polimero rendendo la soluzione più instabile. I legami a ponte idrogeno, determinati dalla presenza di acqua, possono subire una parziale rottura e sottoponendo la soluzione a stress di tipo meccanico, di scorrimento ad esempio, si formano nuclei polimerici interni, ordinati ed in grado di incrementare la viscosità della soluzione. Questa condizione rappresenta il punto limite al di sotto del quali si ottiene un cambio di conformazione delle catene polipeptidiche verso la forma estesa o β-strand.
A questo punto può iniziare il miracolo della estrusione con il quale il baco da seta riesce ad emettere all’esterno una bavella di seta nella sua complessa struttura.
In questa conformazione ogni catena polimerica è legata da ponti di idrogeno che intercorrono tra il gruppo carbonile e l’NH di due catene antiparallele adiacenti per formare la struttura β-strand a foglietto ripiegato. Vedi Fig. 2.
Fig. 2 – Struttura a β-sheet antiparallelo della fibroina (da “I principi di biochimica di Lehninger” di Nelson DL e Cox MM – ed. Zanichelli 2006)
Il filo di seta al microscopio elettronico
I gruppi laterali di ogni singolo amminoacido sono sistemati al di sopra o al di sotto del piano di ogni singolo foglietto. Essi determineranno la distanza di impaccamento tra due foglietti contigui. Le analisi eseguite mediante diffrazione ai raggi X hanno evidenziato che tale conformazione dà origine ad una struttura cristallina ordinata caratterizzata da una cella unitaria con tre assi distinti: uno parallelo ai legami a ponte di idrogeno che identifica la distanza tra due catene parallele (9.44Ǻ); una direzione parallela all’asse principale delle fibre corrispondente alla distanza di due residui di aa (6.95 Ǻ); una distanza tra due foglietti impilati che normalmente risulta essere, a differenza delle due precedenti, specie specifica (Bombyx mori 9.3Ǻ, Anaphe 10Ǻ, Anthereae 10.6Ǻ). Un singolo foglietto nella conformazione β contiene due catene con 4 residui di aa. Tale struttura può esistere solo se si verificano particolari sequenze di aa che nel Bombyx mori sono Gly-Ala-Gly-X, dove X= Ala o Ser. Tale sequenza si ripete per lunghi tratti delle catene polipeptidiche e costituisce la parte ordinata e cristallina della fibra di seta.
La regione amorfa corrisponde alle sequenze che includono la treonina e gli altri amminoacidi con gruppi laterali voluminosi. La rigida sequenza Gly-Ala-Gly-X determina, ortogonalmente all’asse della fibra, la ripetizione di gruppi laterali di un solo amminoacido (H per la Gly, CH3 per Ala, CH2OH per Ser) che permette poi la sovrapposizione dei singoli foglietti secondo un impaccamento omogeneo e ravvicinato.
Un valore importante per la caratterizzazione della fibroina è dato dal rapporto percentuale fra i residui a catena laterale lunga e quelli a catena laterale corta (Gly, Ala e Ser). Per valori bassi di tale indice si ha una fibroina cristallina, con elevata tenacità e basso livello di allungamento, nel caso contrario aumenta l’importanza della regione amorfa e la seta è caratterizzata da bassa tenacità ed elevato allungamento.
Il Filo di Seta
Abbiamo raccontato della scoperta della seta e di come l’uomo in epoche preistoriche abbia incontrato questo filo prodotto da bruchi mangiatori di foglie.
Gli incontri sono anche le strade maestre della conoscenza, e cosi abbiamo ripercorso il lungo cammino, che si è articolato attraverso secoli e civiltà, con il quale l’uomo ha acquisito la dimestichezza nel maneggiare il baco da seta e ha sviluppato tutte le tecniche di impiego del filo.
Ma questo straordinario materiale ha celato per lunghi secoli tanta parte delle sue infinite proprietà e i misteri generati dal lungo viaggio evolutivo, durato milioni di anni, come per ogni grande opera della materia vivente si sono svelati con le moderne tecniche analitiche.
Il filo di seta viene estruso dalle larve del baco da seta al termine del loro ciclo di sviluppo.
Fig. 3 – Ciclo biologico del baco da seta
La seta è prodotta in forma liquida all’interno di due ghiandole, poste ai lati dell’intestino, che si riuniscono in un dotto comune che termina in una apertura posta appena sotto la bocca.
L’estrusione dei due filamenti avviene in sincronia e si coagulano in una struttura lineare che costituisce il filo di seta nativo.
Se osserviamo ad un microscopio il filamento di seta nel suo stato nativo, subito dopo la sua estrusione, si nota che la struttura presenta le due bavelle decorrenti parallelamente e saldamente incollate da una seconda componente di natura non fibrosa che li avvolge completamente.
Fig. 4 – Sericina e fibroina nel filo di seta nativo
La microstruttura e la conformazione molecolare
Le due bavelle costituiscono ciò che conosciamo come seta, cioè la fibra utilizzata a scopo tessile e denominata in chimica Fibroina, mentre la guaina che tiene incollate le due bavelle è costituita dalla Sericina. Entrambe sono materie di natura proteica, ma con struttura e conformazione del tutto diversa. La sericina e la fibroina sono entrambe prodotte nelle ghiandole sericigene, quelle poste ai lati dell’intestino. Entrambe secrete in forma liquida ed accumulate come soluzione omogenea cosi che a giusta ragione possa essere definita seta liquida. Ma appena inizia il processo di espulsione all’esterno la soluzione si coagula, e le due componenti si separano dando luogo alla bizzarra struttura riportata in figura 5.
La sericina e la fibroina hanno anche comportamento chimico opposto; la prima è fortemente idrofila mentre la seconda al contrario è idrofoba.
Questa strana struttura bicomponente, che ci ricorda un cavo elettrico, è conosciuta da sempre nella sua morfologia, ma del tutto incompresa a livello molecolare e di microstruttura.
Quando guardiamo un singolo filamento di seta vediamo ciò che ha visto l’uomo preistorico, una struttura lineare ed omogenea che non mostra alcun segno di discontinuità, e quando proviamo a spezzarlo oppone una resistenza sorprendente, inaspettata per la sua finezza. E poi una volta purgato è straordinariamente morbido e lucido.
Fig. 5 – Filo di seta immediatamente dopo l’estrusione
Le misurazioni effettuate mediante diffrazione ai raggi X, pubblicate nel 1931 da Krakty, hanno dato il primo contributo alla comprensione della struttura molecolare della Fibroina e successivamente nei primi anni 50, Linus Pauling, Richard Marsh e Robert Corey presentano un modello molecolare della fibroina che nelle sue basi è ancora oggi accettato. Ciò che era rimasto celato a lungo venne per la prima volta svelato aprendo il primo passo ad una reale comprensione di questo formidabile biomateriale.
Il modello di Pauling della fibroina richiede una sequenza di amminoacidi che si ripete per lunghi tratti e schematicamente può essere rappresentata da
Glicina -Alanina-Glicina-X dove X = Alanina o Serina
Tutto ciò riconduce la conformazione della fibroina ad una struttura denominata β-Sheet con disposizione delle catene polipeptidiche antiparallele. Studi successivi hanno dimostrato che tale sequenza corrisponde alla sola regione cristallina della fibroina, perfettamente idrofoba ed insolubile, che si alterna ad una regione amorfa dove le sequenze includono amminoacidi più voluminosi che impediscono la struttura ordinata e lineare β-Sheet. Le regioni cristalline impartiscono stabilità chimica e resistenza meccanica, mentre la parte amorfa determina la capacità di assorbimento di acqua e le caratteristiche di elasticità.
La presenza di queste due regioni è inoltre di grande importanza biochimica quando la fibroina si trova allo stato liquido, all’interno delle ghiandole sericigene, per il processo di estrusione e coagulazione quando il baco costruisce il bozzolo.
Le evidenze analitiche hanno dimostrato che le regioni cristalline si susseguono una all’altra e sono tra loro legate dalle sequenze amorfe. Tale struttura e presente in tutte le fibroine, incluse quelle da ragni, ma varia notevolmente la distribuzione ed estensione delle aree amorfe rispetto a quelle cristalline.
Fig. 6 – Conformazione molecolare
Microstruttura della seta: il segreto della complessità
La conformazione molecolare β-Strand della fibroina determina l’allineamento delle singole molecole in sovrastrutture lineari che sono all’origine della natura fibrillare della seta. Infatti, le singole bavelle se sottoposte a trattamenti degradativi di natura chimica o enzimatica si sfaldano in microfibrille per poi sciogliersi del tutto. Le indagini strumentali di laboratorio hanno permesso di ricostruire la microstruttura della seta esposta in Fig. 7.
Fig. 7 – Struttura fibrillare della seta
L’orientamento delle sovrastrutture polipeptidiche, e l’allineamento lungo un asse longitudinale, sono genesi e natura della fibra di seta e delle sue importanti proprietà per il mondo tessile. Ma dalla stessa fonte derivano il comfort e il benessere dermico che non hanno paragoni con nessuna altra fibra tessile.
Se osserviamo la Fig. 1 possiamo raccogliere una prima impressione della insolita struttura del filo di seta che rimane incomprensibile e di difficile interpretazione. La parte interna è costituita da due filamenti, o bavelle che corrono appaiate l’una all’altra e sono strettamente tenute insieme da una guaina esterna di sericina. Le due bavelle interne sono ciò che conosciamo con il termine di fibroina e costituiscono la fibra vera e propria. La guaina è una componente priva di proprietà meccaniche e viene eliminata nel corso dei processi tessili. Entrambe sono composti di natura proteica, ma con diversa conformazione chimica e differenti proprietà; la fibroina e idrofoba e insolubile in acqua, la sericina è idrofila e si scioglie facilmente in acqua calda. Durante le operazioni tessili di purga si procede alla eliminazione dello strato di sericina mediante trattamenti con soluzioni di sapone alcalino o per semplice effetto dell’acqua ad alta temperatura. Molti si chiedono la ragione di questa bizzarra struttura a due componenti, e ci si interroga su quali siano i vantaggi evolutivi che hanno condotto a questa complessa strutturazione. per capire cosa sia realmente bisogna partire da qui. Ma per comprendere il reale significato di questo affascinante rompicapo bisogna partire proprio dalla immagine riportata in Fig. 1
La foto è stata realizzata con un microscopio elettronico ed evidenzia la struttura di un filo naturale di seta cosi come viene prodotto dal baco. Il filo è stato portato alla sua massima idratazione e le fratture ottenute con una sonda ad ultrasuoni. Ci sono voluti moltissimi tentativi per ottenere ciò che si vede, ma la perseveranza è sempre ripagata.
La prima ipotesi che è possibile formulare per la presenza di due bavelle in un solo filo è certamente la simmetria bilaterale degli esseri viventi, al pari delle antenne, delle zampe e di molti altri organi l’evoluzione si è indirizzata su strutture appaiate o ripetute in coppia. E’ possibile immaginare un percorso simile per le due ghiandole della seta, ma si può anche immaginare che una struttura a due componenti impartisca maggiore tenacità rispetto a una a singolo componente.
Fig. 8 – Comparazione bozzoli
E il bozzolo nella sua collocazione originaria selvaggia ha nella resistenza meccanica motivo di sopravvivenza e difesa della specie. Ma estendendo le riflessioni alle migliaia di insetti producono seta dobbiamo prendere atto che solo alcune centinaia di falene sono in grado di costruire un bozzolo.
I bruchi di queste specie a maturità estrudono i fili attaccandoli in un punto e stirandoli con movimenti del capo e formando delle anse che si stratificano. Si formano così le pareti del bozzolo, per stratificazione.
Il baco da seta è un insetto domesticato qualche migliaio di anni fa e non esiste più in natura, si può però trovare in Asia il suo progenitore, la Theophila mandarina, ancora in grado di vivere allo stato selvaggio.
La selezione durata millenni ha reso morbido il bozzolo del Bombyx mori, ma vi sono specie selvatiche in grado di costruirne di cosi resistenti che è impossibile persino tagliarli, quasi una struttura metallica. La foto n° 2 riporta un bozzolo Tussah ( Antheraea pernyi).
Sono scuri e resistono persino ai denti dei topi e la resistenza è dovuta alla prima proteina; la fibroina, che è anche la fibra tessile. Questi lepidotteri al termine della fase larvale compiono la metamorfosi durante la quale i tessuti del bruco si sciolgono e si riorganizzano subito dopo dando luogo ad un essere completamente diverso: la farfalla.
La metamorfosi ha affascinato il genere umano fin dagli albori.
E’ un processo delicatissimo e quindi ha bisogno di una ambiente isolato privo della minima interferenza: il bozzolo, appunto.
I bozzoli vengono fissati sui rami degli alberi e sebbene la fibroina sia idrorepellente non impedirebbe a qualche goccia di pioggia di entrare all’interno con grave rischio per la metamorfosi. Ma la seconda proteina, la sericina, con la pioggia si rigonfia comportandosi da colloide, e forma una guaina perfettamente impermeabile.
Quando la pioggia cessa il sole riporta la sericina al suo stato originario lasciando permeare l’aria; la metamorfosi può così continuare senza alcun rischio. Infine potrebbero esserci muffe e batteri a interferire, ma il baco pensa anche a questo.
Nella seta sono presenti sempre dei polifenoli provenienti dalle foglie mangiate dal bruco che li bloccano, sono i suoi antibiotici.
I polifenoli sono anche responsabili delle colorazioni dei bozzoli.
Vi sono bozzoli di tutti i colori, dal nero al rosa fino al giallo e verde ed alcuni sono anche iridescenti.
Questa è la ragione della estrema complessità del filo di seta: garantire la sopravvivenza della specie costi quel che costi!
Fig. 9 – Bombyx-mori-vari-colori