La fibra del sogno

Il ragno è appeso al centro della sua ragnatela alle 3 del mattino e, se si illumina una torcia nel modo giusto, la seta cattura la luce come un cavo a fibre ottiche. E in un certo senso lo è: ogni filo è più sottile di un capello umano, ma è in grado di fermare un'ape che viaggia a tutta velocità senza rompersi. L'ape rimbalza. La tela si flette. Il ragno non si sveglia nemmeno.

Questa piccola dimostrazione di fisica ha ossessionato gli scienziati dei materiali per trent'anni.

Ecco cosa rende razionale questa ossessione: la seta dei ragni ha una resistenza alla trazione di circa 1,0-1,5 GPa, paragonabile a quella dell'acciaio di alta qualità. Ma ecco il dettaglio critico: la seta ha una densità pari a circa un sesto di quella dell'acciaio, il che significa che, in termini di peso, un filo di seta di ragno è cinque volte più resistente dello stesso peso di acciaio. È più resistente del Kevlar, il materiale dei giubbotti antiproiettile, e assorbe più energia prima di rompersi. Può allungarsi del quaranta per cento della sua lunghezza e tornare indietro perfettamente. E il ragno lo ha prodotto nel suo addome, a temperatura ambiente, con insetti digeriti e acqua. Nessuna fabbrica. Niente petrolio. Nessuna fornace a 1.500 gradi Celsius.

Le agenzie di difesa e le aziende private hanno investito centinaia di milioni di dollari nel tentativo di copiarlo negli ultimi tre decenni.

Non possono ancora farlo.

Il Santo Graal che si rifiuta di essere trovato

Alla fine degli anni '90, un ricercatore dell'Università del Wyoming è riuscito a clonare il gene della proteina della seta di ragno in una capra. I media si scatenarono. Tempo La rivista ha pubblicato un articolo sui giubbotti antiproiettile che avrebbero rivoluzionato il combattimento. Gli appaltatori della difesa iniziarono a chiamare. I venture capitalist iniziarono a staccare assegni.

È successo trentatré anni fa.

Non è ancora possibile acquistare un giubbotto antiproiettile in seta di ragno. Non si possono comprare corde di seta di ragno, né corde di paracadute di seta di ragno, né suture chirurgiche di seta di ragno in scala. Alcune aziende tessili boutique vi venderanno una cravatta $300 fatta con “fibre di seta di ragno”, ma leggete le scritte in piccolo: di solito si tratta di una miscela, tagliata pesantemente con materiali sintetici convenzionali, prodotta in quantità misurate in chilogrammi all'anno, non le tonnellate necessarie per la rilevanza industriale.

Questo è il mistero centrale della moderna scienza dei materiali: sappiamo esattamente cosa fa funzionare la seta di ragno. Abbiamo decodificato i suoi geni, mappato la sua struttura molecolare e pubblicato migliaia di articoli con revisione paritaria che analizzano ogni nanometro della sua architettura. Abbiamo prodotto con successo la proteina in batteri, lievito, capre, bachi da seta e persino erba medica geneticamente modificata.

Eppure, dopo tre decenni di sforzi, centinaia di milioni di investimenti e alcune delle più sofisticate biotecnologie che l'umanità abbia mai sviluppato, la seta di ragno rimane essenzialmente una curiosità da laboratorio.

La questione non è se la seta di ragno sia straordinaria. La domanda è perché qualcosa di così straordinario - e così ben compreso - si rifiuta di esistere al di fuori del ragno.

Perché tutti lo volevano così tanto

Per capire l'ossessione, è necessario comprendere la lacuna nel mondo dei materiali che la seta di ragno sembrava destinata a colmare.

La civiltà moderna si basa su un numero sorprendentemente ridotto di materiali ad alte prestazioni. Se serve qualcosa di leggero e rigido, si usa la fibra di carbonio, brillante per biciclette e aerei, ma fragile. Se serve qualcosa che assorba gli impatti senza cedere, si usa il kevlar, che salva vite umane nelle armature, ma è pesante per la sua forza. Se serve qualcosa di incredibilmente forte in rapporto al peso, si usa il polietilene ad altissimo peso molecolare: ottimo per i guanti antitaglio, pessimo per tutto ciò che richiede rigidità.

Ogni materiale ha uno scambio di proprietà. Un'alta resistenza di solito significa fragilità. La durezza di solito significa peso. Flessibilità significa solitamente debolezza.

La seta di ragno sembra infrangere queste regole.

Si trova in un punto magico della curva forza-tenore che i materiali ingegnerizzati non possono raggiungere. Un filo di seta da traino, quello che il ragno usa come linea di sicurezza e come filo radiale della sua tela, ha una resistenza specifica paragonabile a quella dell'acciaio e una durezza superiore al Kevlar. Non uno o l'altro. Entrambi.

Questa convergenza ha creato un raro momento di accordo tra industrie molto diverse. Il Pentagono voleva armature più leggere in grado di assorbire l'energia dei proiettili. I produttori tessili volevano tessuti biodegradabili che non richiedessero petrolio. Le aziende produttrici di dispositivi medici volevano suture biocompatibili che il corpo non avrebbe rigettato. Gli ingegneri aerospaziali volevano tethering e compositi ultraleggeri.

Tutti volevano la seta di ragno.

Il materiale sembrava fatto apposta per il XXI secolo: più resistente di quello che potevamo sintetizzare, prodotto in modo sostenibile e compatibile con i tessuti viventi. Nei primi giorni della rivoluzione biotecnologica, quando gli scienziati stavano appena imparando a modificare i geni come un codice software, la seta di ragno sembrava la prova che la natura aveva già risolto i nostri problemi materiali più difficili. Tutto ciò che dovevamo fare era copiare la ricetta.

La logica era seducente: l'evoluzione ha impiegato 400 milioni di anni per ottimizzare questo materiale. Noi dovevamo solo prendere in prestito il progetto.

Il “materiale perfetto” che non c'era

Ma è qui che la storia si fa interessante, e che il clamore iniziale ha iniziato a svanire.

La frase che si sente sempre dire, “più forte dell'acciaio”, è tecnicamente vera ma significativamente fuorviante. La seta di ragno è più forte dell'acciaio in termini di peso, ciò che gli ingegneri chiamano forza specifica. Questo è molto importante se si costruiscono aerei o veicoli spaziali, dove ogni grammo conta. Importa molto meno se si sta costruendo un ponte o un edificio, dove sono necessarie forza e rigidità assolute.

E la rigidità? È qui che i limiti della seta di ragno diventano dolorosamente chiari.

Gli scienziati dei materiali considerano le prestazioni in tre dimensioni chiave: la resistenza (quanta forza ci vuole per romperlo), la rigidità (quanto resiste all'allungamento o alla flessione) e la tenacità (quanta energia può assorbire prima di cedere). È possibile visualizzare questo aspetto come un triplice compromesso. La fibra di carbonio è l'unico materiale ad alta resistenza e rigidità, ma si frantuma in caso di impatto. Il kevlar domina la zona ad alta resistenza ma non è particolarmente rigido. La gomma è elastica ma debole.

La seta di ragno fa qualcosa di insolito: combina una buona resistenza con un'eccezionale tenacità. Questo è il suo superpotere: la capacità di assorbire enormi quantità di energia senza rompersi, il che la rende ideale per fermare gli insetti volanti o, in teoria, per dissipare le forze d'urto.

Ma non è neanche lontanamente paragonabile alla fibra di carbonio o all'acciaio di alta qualità. Per le applicazioni che richiedono strutture rigide - telai aerospaziali, componenti automobilistici, materiali da costruzione - la seta di ragno non è in grado di competere. Si fletterebbe e si deformerebbe laddove serve qualcosa che mantenga la forma sotto carico.

C'è poi il problema della stabilità termica e chimica. Il kevlar può resistere a temperature fino a 400 gradi Celsius. La fibra di carbonio sopravvive a temperature ancora più elevate. La seta di ragno? È una proteina. Le proteine idratate della seta di ragno iniziano a denaturarsi intorno ai 60-80°C, anche se le fibre secche possono tollerare ben oltre i 200°C, ma sono comunque nettamente inferiori alle aramidi in ambienti termici estremi. Se la esponiamo ai raggi UV per periodi prolungati, si degrada. Se la si colpisce con alcuni solventi, si dissolve.

Non si tratta di piccoli cavilli tecnici. Sono vincoli fondamentali che eliminano intere categorie di applicazioni.

Il marketing iniziale non ne ha mai parlato. La narrazione del “materiale miracoloso” implicava una superiorità universale: la seta di ragno era semplicemente migliore delle alternative sintetiche in tutti i settori. Suggerisce che, una volta scoperto come produrla, tutte le applicazioni ad alte prestazioni sarebbero passate naturalmente ad essa.

Questo si è rivelato un pericoloso eccesso di semplificazione e ha rivelato qualcosa di più profondo sull'intera impresa: la seduzione filosofica della biomimetica.

Nella scienza dei materiali c'è la convinzione quasi romantica che la natura abbia già risolto i nostri problemi più difficili, che l'evoluzione - con i suoi 400 milioni di anni di ricerca e sviluppo - abbia ottimizzato soluzioni che possiamo a malapena immaginare. A volte è vero. Il velcro è nato dalle bave. Le superfici ispirate alla pelle di squalo riducono la resistenza aerodinamica. Le zampe di geco hanno ispirato nuovi adesivi.

Ma la seta di ragno è diventata il racconto ammonitore, l'esempio in cui “copiare la natura” ha smesso di essere ingegneria intelligente ed è diventato una trappola. Perché è per questo che l'evoluzione si è ottimizzata: un predatore solitario che ha bisogno di catturare insetti volanti usando una struttura che può produrre dal proprio corpo, riciclare quando è danneggiata e utilizzare senza energia o strumenti esterni.

L'evoluzione non ha ottimizzato per: fabbriche, margini di profitto, produzione industriale, controllo di qualità, approvazione normativa o costo per chilogrammo.

Al ragno non importa che la sua produzione di seta sia “inefficiente” rispetto agli standard industriali. Non gli importa che il processo funzioni solo su scala ridotta. Non gli importa che ogni filo richieda una precisione su scala nanometrica che richiede pochi secondi. Il ragno ha tutto il tempo del mondo, utilizza manodopera biologica gratuita e ricicla i suoi errori mangiandoli.

Non abbiamo questi lussi.

Il ciclo che non si interrompe

Eppure, ogni cinque-sette anni, ritorna lo stesso titolo: “Gli scienziati creano una seta di ragno super resistente”. I comunicati stampa seguono un modello. Un gruppo di ricerca annuncia un passo avanti nella produzione della proteina, o un miglioramento marginale delle proprietà della fibra, o una nuova tecnica di filatura ispirata alla spinneret del ragno. I giornalisti la definiscono una “svolta epocale”. Le riviste di difesa pubblicano articoli senza fiato. Le società di venture capital organizzano incontri di presentazione.

Poi, silenziosamente, non cambia nulla.

Le aziende che hanno raccolto milioni si orientano verso “mercati adiacenti”. Il promettente spin-out diventa un'azienda di dispositivi medici, poi una società di consulenza sui biomateriali, infine una nota a piè di pagina in una dichiarazione di fallimento. I ricercatori pubblicano i loro risultati, notano che “la scalabilità industriale rimane impegnativa” e tornano nei loro laboratori.

Il ciclo si è ripetuto abbastanza volte da diventare un genere a sé stante di giornalismo scientifico: il materiale miracoloso che è sempre lontano cinque anni.

Perché continua a succedere?

In parte è strutturale. Le ragnatele sono visivamente straordinarie: praticamente si filmano da sole. Il video del ragno contro l'ape è un'erba gatta per i documentari scientifici. La frase “più forte dell'acciaio, più leggero di una piuma” è oro per il marketing. Se si aggiunge la parola “biomimetica”, si ottiene una storia che piace contemporaneamente a tecnologi, ambientalisti e futuristi.

Ogni investitore di deep-tech conosce le battute della narrazione: biomateriale rivoluzionario, enorme mercato totale affrontabile (militare! medico! tessile!), produzione sostenibile e un chiaro percorso di commercializzazione. La seta di ragno colpisce ogni nota. È il pitch deck perfetto.

Ma c'è qualcosa di più profondo. Ogni pochi anni, un'équipe ottiene davvero qualcosa di nuovo. Riescono a far esprimere la proteina in lieviti con rese più elevate. Scoprono come evitare che si agglomeri in soluzione. Progettano una spinneret sintetica migliore che si avvicina un po' di più alla replica del processo naturale del ragno.

Si tratta di progressi reali, pubblicati in Natura o Scienza, e fanno veramente progredire il campo. Una dimostrazione di laboratorio che dimostra una migliore resistenza delle fibre di 10% è un legittimo progresso scientifico. Lo stesso risultato viene inserito in un comunicato stampa sulle “armature di nuova generazione” e improvvisamente il ciclo ricomincia.

Il problema è che far progredire la scienza e far progredire la produzione non sono la stessa cosa. Il progresso scientifico si misura in pubblicazioni e citazioni. Il progresso industriale si misura in tonnellate all'anno e in dollari per chilogrammo. Questo divario - tra una prova di concetto in un laboratorio universitario e un prodotto redditizio spedito su scala - è il punto in cui la seta di ragno è morta, ripetutamente, per tre decenni.

Il divario che non si chiude

Ecco cosa sappiamo fare: produrre proteine della seta di ragno in quantità industriali utilizzando organismi geneticamente modificati. Le aziende lo hanno dimostrato. La proteina esiste. Si può acquistare, in quantità limitate, da fornitori specializzati.

Ecco cosa non sappiamo fare: trasformare quella proteina in una fibra che mantenga le proprietà che rendono speciale la seta di ragno, a un costo che abbia senso dal punto di vista commerciale, alla velocità richiesta dalla produzione industriale e con la consistenza richiesta dai mercati regolamentati.

Questo divario, tra una vasca di costosa soluzione proteica e un rocchetto di fibra utilizzabile, ha inghiottito centinaia di milioni di dollari e migliaia di anni di ricerca.

Il ragno lo fa nel suo addome in circa tre secondi. Non sappiamo ancora come.

Beh, questo non è del tutto vero. Sappiamo come, nel senso che possiamo descrivere il processo in modo straordinariamente dettagliato. La ghiandola di seta del ragno è una meraviglia chimica e meccanica: regola il pH, gestisce i gradienti ionici, applica precise forze di taglio e innesca l'autoassemblaggio molecolare, il tutto simultaneamente, in uno spazio più piccolo di un chicco di riso. Abbiamo mappato ogni fase a risoluzione molecolare.

Quello che non possiamo fare è replicare questo processo in fabbrica, alle velocità e ai volumi necessari per competere con il nylon, che costa circa $2 al chilogrammo e che produciamo in quantità misurate in milioni di tonnellate all'anno.

È qui che la trappola del biomimetismo diventa brutalmente chiara. La spinneret del ragno funziona perché è minuscola, perché opera lentamente, perché è integrata in un sistema vivente che fornisce un preciso controllo biochimico. Se lo si ingrandisce, rendendolo più grande, più veloce, compatibile con le apparecchiature industriali, la fisica si rompe. La dinamica dei fluidi cambia. Le forze di taglio che allineano perfettamente le proteine su scala di ragno creano turbolenza su scala industriale. I gradienti ionici che funzionano in un condotto microscopico diventano impossibili da mantenere in un tubo.

Non è che non capiamo il ragno. Conosciamo i meccanismi in modo straordinariamente dettagliato. Il problema è che la comprensione non si traduce in ingegneria. La soluzione del ragno è squisitamente ottimizzata per essere un ragno. È terribilmente ottimizzata per essere una fabbrica.

Questa è la scomoda verità che l'industria della seta di ragno ha passato tre decenni a cercare di risolvere: il materiale è straordinario, ma il processo di produzione - quello che trasforma la proteina liquida in una fibra solida - richiede un livello di controllo su scala nanometrica che le nostre migliori attrezzature industriali semplicemente non possono raggiungere a velocità economicamente sostenibili.

Si può avere una fibra di qualità ragnesca a velocità da ragno, producendo grammi al giorno a costi misurati in migliaia di dollari per chilogrammo. Oppure si possono avere velocità su scala industriale, producendo tonnellate al giorno, ma la fibra risultante perde le proprietà che hanno reso speciale la seta di ragno. La resistenza diminuisce. La tenacità crolla. Ci si ritrova con una fibra sintetica costosa e mediocre, che non può competere con il Kevlar o persino con il normale nylon.

La versione della scienza dei materiali del principio di indeterminazione di Heisenberg: si può sapere come produrlo o come scalarlo, ma non si possono conoscere contemporaneamente entrambe le cose.

Perché questo è importante al di là della seta di ragno

Questa non è la storia di una tecnologia che ha fallito perché la scienza era sbagliata. La seta di ragno funziona. Esiste. I ragni la producono in modo continuo e affidabile, per milioni di tonnellate all'anno, distribuite in ogni ecosistema terrestre della Terra.

Questa è una storia sul brutale divario tra risultati scientifici e fattibilità commerciale, tra ciò che è possibile in laboratorio e ciò che è possibile sul mercato. Parla del perché “copiare la natura” è una strategia seducente ma spesso fuorviante per gli ingegneri. Si tratta dello sfasamento strutturale tra le tempistiche dei capitali di rischio (che chiedono ritorni in 7-10 anni) e i cicli di sviluppo della scienza dei materiali (che in genere richiedono 15-20 anni per passare dall'idea alla scala commerciale).

Soprattutto, si tratta della difficoltà crescente di risolvere non un solo problema, ma cinque contemporaneamente: produrre la proteina a basso costo, mantenerne la struttura, filare la fibra a velocità industriali, garantire la coerenza tra i lotti e fare tutto questo a un costo che può competere con materiali che hanno avuto cinquant'anni di ottimizzazione della produzione.

La seta di ragno è diventata un caso da manuale di promessa eccessiva di biomimetica. L'intensa attenzione alla replica della natura ha distratto l'industria dall'obiettivo reale: creare una fibra ad alte prestazioni che la gente avrebbe comprato. Che la fibra provenisse da un gene di ragno o da un approccio interamente sintetico non aveva importanza: prestazioni e costi erano l'unica cosa che contava.

Le aziende sopravvissute hanno imparato questa lezione. Hanno tranquillamente abbandonato l'approccio biomimetico puro - cercando di ricreare perfettamente il processo del ragno - a favore della bioispirazione: prendere in prestito i principi utilizzando metodi di produzione completamente diversi. Alcune si sono allontanate completamente dalla fibra sfusa, concentrandosi invece su applicazioni mediche ad alto margine, dove pochi grammi di materiale in un impianto chirurgico possono essere venduti per migliaia di dollari, rendendo il costo di produzione irrilevante.

Altri hanno rinunciato completamente alle proteine del ragno, progettando polimeri sintetici che imitano l'architettura molecolare della seta - la struttura a blocchi, l'equilibrio cristallino-amorfo - senza il bagaglio biologico. Questi materiali non saranno mai “vera” seta di ragno, ma potrebbero davvero arrivare sul mercato.

Il ragno è ancora appeso alla sua tela, avvolgendo la preda in un materiale che possiamo ammirare ma che non possiamo replicare su scala. Dopo trent'anni, miliardi di investimenti e migliaia di ricerche, ci rimane una profonda lezione sull'innovazione: a volte la soluzione più elegante in natura è il peggior modello possibile per l'industria.

La fibra miracolosa rimane un miracolo proprio perché il segreto - la coreografia su scala nanometrica che avviene in tre secondi all'interno dell'addome di un ragno - rifiuta di essere industrializzato. Abbiamo decodificato la ricetta ma non possiamo costruire la cucina. Abbiamo letto il progetto ma non possiamo costruire l'edificio.

E forse è questa la vera storia. Non che non siamo riusciti a copiare il ragno, ma che abbiamo imparato - lentamente, costosamente, ripetutamente - che alcune conquiste della natura non sono affatto destinate a essere copiate. Sono destinate a insegnarci che l'evoluzione e l'ingegneria giocano giochi completamente diversi, con regole completamente diverse, ottimizzando per obiettivi completamente diversi.

Al ragno non interessano i margini di profitto, le tempistiche del capitale di rischio o il costo per chilogrammo. Deve solo catturare il suo prossimo pasto.

Volevamo cambiare il mondo con la sua fibra. Il ragno voleva solo la cena.

Questo disallineamento, più di qualsiasi sfida tecnica, è il motivo per cui la fibra da sogno rimane un sogno.

Il capolavoro della natura: Cosa rende la seta dei ragni così speciale

Se si prendesse un filo di seta di ragno e lo si osservasse al microscopio elettronico, si vedrebbe qualcosa di poco significativo: un cilindro liscio e uniforme di circa cinque micron di diametro. Se si ingrandisce l'immagine, fino al livello molecolare, si trova qualcosa che gli scienziati dei materiali descrivono con parole solitamente riservate alle cattedrali o alle sinfonie: elegante, preciso, perfettamente orchestrato.

Quella che state vedendo è la soluzione della natura a un problema che i chimici industriali non riescono ancora a replicare completamente: come costruire un materiale che sia contemporaneamente forte, resistente ed elastico, usando solo proteine e acqua, a temperatura ambiente, in tre secondi.

Il segreto non è negli ingredienti. È nell'architettura.

Il progetto molecolare che non dovrebbe funzionare

Partiamo dalle basi. La seta di ragno è una proteina, nello specifico una famiglia di proteine chiamate spidroine. Se avete frequentato la scuola superiore di biologia, potreste ricordare le proteine come lunghe catene di aminoacidi che si ripiegano in forme specifiche. L'emoglobina trasporta l'ossigeno. L'insulina regola lo zucchero nel sangue. Gli enzimi catalizzano le reazioni.

Le proteine della seta di ragno fanno qualcosa di diverso. Formano strutture.

Ecco dove la cosa si fa interessante. La maggior parte delle proteine strutturali in natura - il collagene nei tendini, la cheratina nei capelli - sono catene relativamente semplici e ripetitive. Funzionano grazie alla loro mole: basta mettere insieme un numero sufficiente di molecole per ottenere qualcosa di forte.

Gli Spidroin sono diversi. Sono modulari, quasi come i blocchi LEGO, con sezioni distinte che svolgono funzioni radicalmente diverse. Immaginate una lunga catena fatta di segmenti alternati: alcune sezioni sono ricche di aminoacido alanina, disposte in sequenze che naturalmente vogliono formare fogli stretti e cristallini. Altre sezioni sono ricche di glicina, creando regioni sciolte e amorfe che rimangono flessibili.

Non è casuale. È un'architettura molecolare deliberata.

I blocchi ricchi di alanina si ripiegano in quelli che i chimici chiamano fogli beta, strutture piatte e stratificate in cui le catene proteiche si impilano l'una sull'altra come la carta in una risma, tenute insieme da legami idrogeno. Queste regioni cristalline sono forti e rigide. Sono lo scheletro della fibra e garantiscono la resistenza alla trazione.

I blocchi ricchi di glicina fanno il contrario. Rimangono sciolti e disordinati, formando regioni amorfe che possono allungarsi e deformarsi. Sono gli ammortizzatori della fibra, che forniscono elasticità e assorbimento dell'energia.

Di per sé, nessuna delle due strutture è particolarmente speciale. Le proteine cristalline sono forti ma fragili: si spezzano sotto sforzo. Le proteine amorfe sono flessibili ma deboli: si deformano in modo permanente. Ma combinandole in rapporti precisi, a intervalli precisi, lungo la stessa catena molecolare, accade qualcosa di straordinario.

Si ottiene un materiale che si allunga come la gomma e si mantiene come l'acciaio.

La gerarchia che lo fa funzionare

Ma la magia non si ferma al livello molecolare. Il segreto della seta di ragno è che è organizzata in modo gerarchico: strutture all'interno di strutture all'interno di strutture, ogni livello aggiunge nuove capacità.

Su scala nanometrica, le singole molecole di spidroina si allineano parallelamente l'una all'altra, le loro regioni cristalline formano piccoli domini rigidi inseriti in una matrice amorfa più morbida. Pensate a questo come a un'armatura nel calcestruzzo, solo che l'armatura e il calcestruzzo sono fatti della stessa molecola, solo piegata in modo diverso.

Queste molecole allineate si raggruppano in nanofibrille, cavi proteici di circa 100 nanometri di diametro. Le nanofibrille si attorcigliano tra loro in fibrille. Le fibrille si allineano nella fibra finale.

Ad ogni livello, l'allineamento è fondamentale. Se le molecole sono mescolate in modo casuale, la fibra perde gran parte della sua forza: le regioni cristalline non possono condividere il carico e l'intera struttura crolla sotto sforzo. Il ragno ottiene un allineamento quasi perfetto controllando il modo in cui la proteina liquida fluisce attraverso il suo canale di filatura, utilizzando forze di taglio e inneschi chimici per far posizionare le molecole prima che si solidifichino.

È qui che la produzione umana incontra il suo primo grande ostacolo. Siamo in grado di produrre la proteina. Possiamo anche ripiegarla correttamente. Quello che non possiamo fare - non in modo affidabile, non in velocità, non in scala - è far sì che milioni di molecole proteiche si allineino perfettamente nel passaggio da liquido a solido.

Il ragno lo fa in un condotto più stretto di un capello umano, in circa tre secondi, con zero difetti, migliaia di volte al giorno.

Sono trent'anni che cerchiamo di replicarlo.

Perché sete diverse fanno lavori diversi

Ecco qualcosa di cui la maggior parte delle persone non si rende conto: un singolo ragno produce fino a sette tipi diversi di seta, ognuno ottimizzato per una funzione specifica. Il tessitore di orbite seduto nel vostro giardino non sta semplicemente filando un materiale, ma sta gestendo una fabbrica di materiali.

L'ossatura strutturale della tela - i fili radiali non appiccicosi e le linee di sostegno esterne - è costituita da seta ampollosa maggiore, detta anche seta dragline. È quella che tutti studiano, la “fibra miracolosa”. È forte, resistente e relativamente rigida. Il ragno la usa come linea di sicurezza quando cade da una superficie, affidando la sua vita a un singolo filo.

La spirale appiccicosa che cattura gli insetti? Si tratta di seta viscosa, prodotta da diverse ghiandole. È debole rispetto alla dragline - si potrebbe spezzare facilmente tra le dita - ma è incredibilmente elastica e rivestita di goccioline glicoproteiche appiccicose. Il suo compito non è quello di trattenere l'insetto, ma di intrappolarlo per il tempo necessario all'arrivo del ragno.

Il sacco delle uova viene avvolto da una seta cilindrica, resistente ma flessibile, ottimizzata per proteggere le uova senza schiacciarle. Quando il ragno avvolge le prede, utilizza la seta aciniforme, che viene prodotta in grandi quantità e si lega facilmente a se stessa.

Ogni seta ha una diversa composizione proteica, un diverso rapporto cristallino-amorfo, diverse proprietà meccaniche. Il ragno non produce un unico super-materiale. Crea un kit di materiali specializzati, ciascuno perfettamente adatto al suo compito.

L'industria ha scelto di concentrarsi sulla seta per dragline per un semplice motivo: ha le migliori proprietà a tutto tondo. È la fibra Goldilocks: abbastanza forte per le applicazioni strutturali, abbastanza resistente per assorbire l'energia, abbastanza elastica per gestire gli impatti. È l'analogo naturale più vicino a ciò che si vorrebbe per le armature, i tessuti ad alte prestazioni o i componenti aerospaziali.

Ma questa attenzione alla linea di resistenza rivela anche un pregiudizio industriale. Volevamo un materiale che potesse fare tutto, il sostituto universale di kevlar, nylon e fibra di carbonio. L'approccio della natura è diverso: materiali specializzati per compiti specializzati, prodotti su richiesta in quantità minime.

Volevamo una merce. La natura ci ha dato una boutique.

Che cosa significa in realtà “durezza”?

È qui che dobbiamo soffermarci e specificare cosa rende la seta di ragno davvero straordinaria, perché la parola “forte” viene usata con noncuranza.

Nella scienza dei materiali, esistono tre proprietà critiche ma distinte:

La forza è la forza che un materiale può sopportare prima di rompersi. Tirate un cavo d'acciaio finché non si spezza: la forza necessaria è la sua resistenza alla trazione.

Rigidità è la resistenza di un materiale alla deformazione. Se si preme su una tavola di legno rispetto a un cuscino di schiuma, il legno è più rigido perché si piega appena.

La robustezza è la quantità di energia che un materiale può assorbire prima di cedere. È la proprietà che conta davvero per le armature, per la protezione dagli incidenti e per catturare gli insetti volanti. Si misura in base all'area sotto una curva di sollecitazione-deformazione: in sostanza, quanto lavoro si deve fare per rompere qualcosa.

Il vero superpotere della seta di ragno è la resistenza.

Il kevlar ha una resistenza alla trazione superiore a quella della seta di ragno in termini assoluti: circa 3,0-3,6 GPa rispetto a 1,0-1,5 GPa della seta di ragno. L'acciaio è più rigido. Ma nessuno dei due può eguagliare la capacità della seta di ragno di assorbire energia. La resistenza del kevlar è di 30-50 megajoule per metro cubo. La seta di ragno più resistente, quella del ragno della corteccia di Darwin, può raggiungere 350-520 MJ/m³, oltre dieci volte più resistente del Kevlar.

Quando una forza colpisce il Kevlar, il tessuto la blocca distribuendo l'impatto sulla trama, ma le fibre di Kevlar si rompono da sole. Le fibre si rompono a causa di una combinazione di sovraccarico di trazione e sfilamento delle fibre. Una volta rotto, il giubbotto è compromesso e chi lo indossa assorbe comunque un significativo trauma da corpo contundente.

La seta di ragno, in teoria, farebbe qualcosa di diverso a velocità d'impatto moderate. Poiché combina la resistenza con un elevato allungamento - può allungarsi fino a 40% della sua lunghezza - assorbe l'energia dell'impatto deformandosi anziché frantumarsi. Le regioni cristalline forniscono resistenza, impedendo un cedimento totale. Le regioni amorfe si dispiegano, allungandosi e dissipando l'energia come molle molecolari.

A livello molecolare, questo avviene attraverso un meccanismo chiamato legame sacrificale. I legami idrogeno che tengono insieme la struttura proteica sono relativamente deboli singolarmente: si rompono sotto stress. Ma sono milioni e non si rompono tutti insieme. Si rompono invece in sequenza, assorbendo ciascuno una piccola quantità di energia. La catena proteica si dispiega in modo controllato, come un airbag accuratamente dispiegato piuttosto che un palloncino che scoppia.

Ecco perché la seta di ragno può fermare un'ape senza rompersi. La seta si allunga, assorbendo l'energia cinetica dell'ape per un tempo e una distanza maggiori, convertendo l'energia in deformazione molecolare anziché in cedimento strutturale. La tela rimbalza. La seta tiene.

Poi - e questa è la parte più interessante - la seta si riprende. Le regioni amorfe si ripiegano. I legami idrogeno si riformano. La fibra ritorna quasi alla sua lunghezza originale, pronta per il prossimo impatto.

Il kevlar non può farlo. Una volta che le fibre si rompono, si rompono definitivamente.

Questa combinazione - alta resistenza, elevato allungamento e recupero - è ciò che gli scienziati dei materiali intendono quando dicono che la seta di ragno occupa uno spazio unico nell'ambito delle prestazioni. Non è solo resistente per un materiale biologico. È più resistente di quasi tutto ciò che abbiamo progettato, naturale o sintetico.

Il problema, naturalmente, è che la resistenza non si vende se non si riesce a produrre il materiale. E produrlo con la qualità raggiunta dal ragno - quell'architettura cristallina-amorfa, quell'allineamento perfetto, quel preciso rapporto tra struttura e flessibilità - rimane la sfida irrisolta.

Sappiamo cosa lo fa funzionare. Possiamo vederlo al microscopio, misurarlo con la diffrazione dei raggi X, modellarlo con la chimica computazionale. Abbiamo pubblicato migliaia di articoli che spiegano, in modo estremamente dettagliato, perché la seta di ragno è così straordinaria.

Non ce la facciamo proprio.

Il ragno è seduto nella sua ragnatela e produce un materiale che possiamo descrivere in modo straordinariamente dettagliato ma non replicare, dimostrando una capacità di produzione che l'evoluzione ha impiegato 400 milioni di anni a perfezionare e che noi, con tutta la nostra biotecnologia e scienza dei materiali, non possiamo ancora eguagliare.

Il divario tra la comprensione e l'esecuzione è l'oggetto del resto di questa storia. Perché si scopre che sapere cosa rende speciale la seta di ragno è molto diverso dal sapere come produrla da soli, soprattutto quando si deve farlo in modo redditizio, su scala, in una fabbrica che risponde a investitori e clienti piuttosto che alla selezione naturale.

Il progetto del ragno è perfetto. La nostra capacità di seguirlo non lo è.

La prima ondata: Promesse ardite e scorciatoie fallite (anni '90-2000)

Nel 1989, un biologo molecolare di nome Randy Lewis stava facendo qualcosa che all'epoca sembrava pura fantascienza. Stava cercando di convincere una capra a produrre seta di ragno.

Non per filare la seta di ragno: quello sarebbe venuto dopo, forse. Per prima cosa, aveva bisogno della materia prima: la proteina liquida che i ragni producono nel loro addome prima di trasformarla in fibra. La sua logica era impeccabile. I ragni si cannibalizzano a vicenda, il che li rende impossibili da coltivare. Ma le capre? Le capre sono docili, produttive e già ottimizzate da migliaia di anni di allevamento agricolo per produrre grandi quantità di proteine nel loro latte.

Tutto quello che doveva fare era inserire il gene della seta di ragno nel genoma della capra, indirizzarlo alle ghiandole mammarie e lasciare che l'infrastruttura lattiero-casearia esistente in natura facesse il suo lavoro.

Quando ha funzionato - quando le capre hanno effettivamente prodotto latte contenente le proteine della seta di ragno - le notizie sono esplose. Non si trattava di un progresso incrementale. Si trattava della biotecnologia che manteneva la sua promessa più audace: riscrivere il codice genetico di una specie per darle le capacità di un'altra.

Il trattamento dei media è stato prevedibilmente senza fiato. “Le capre-ragno tessono una tela d'acciaio”, annunciava un titolo. “Giubbotti antiproiettile dalle capre”, dichiarava un altro. Gli appaltatori della difesa chiamarono. I produttori tessili inviarono richieste di informazioni. I venture capitalist iniziarono a fare i conti: se una capra produce X litri di latte al giorno e il latte contiene l'Y per cento di proteine della seta, allora una mandria di Z capre potrebbe produrre...

La matematica sembrava incredibile. La realtà stava per complicarsi.

Il gene doveva essere la parte più difficile

Per comprendere l'ottimismo dei primi anni '90, è necessario capire dove si trovava la biotecnologia in quel momento. Era in corso il Progetto Genoma Umano. L'ingegneria genetica stava passando da possibilità teorica a strumento pratico. I ricercatori erano riusciti a esprimere l'insulina umana nei batteri, creando una fonte rinnovabile di un farmaco salvavita che in precedenza richiedeva il prelievo di pancreas di maiale.

Il paradigma era semplice e seducente: Il DNA è il manuale di istruzioni. Se si possono leggere le istruzioni, si possono copiare. Se riesci a copiarle, puoi incollarle in un nuovo organismo e premere “esegui”.”

La seta di ragno sembrava un banco di prova perfetto. I geni della seta erano ben caratterizzati: lunghe sequenze ripetitive che codificavano le strutture proteiche modulari descritte nel capitolo precedente. Introdurre questi geni nei batteri, nel lievito o nei mammiferi era una tecnologia consolidata. Gli organismi sarebbero diventati fabbriche viventi, in grado di produrre proteine della seta di ragno utilizzando solo il loro normale metabolismo.

Questa è stata la promessa che ha lanciato un centinaio di programmi di ricerca e una dozzina di startup: abbiamo risolto la parte difficile, l'ingegneria genetica. Tutto il resto è solo scalabilità industriale.

Questa ipotesi si è rivelata catastroficamente sbagliata.

Il serraglio dei setifici

Le capre erano solo l'inizio. Nei quindici anni successivi, i ricercatori hanno utilizzato l'intera gamma di strumenti biotecnologici per la produzione di seta di ragno, ingegnerizzando un serraglio sempre più bizzarro di organismi.

Le capre transgeniche, sviluppati da Nexia Biotechnologies e successivamente portati avanti da Randy Lewis presso la Utah State University, erano il fiore all'occhiello. I vantaggi erano evidenti: animali di grandi dimensioni che producevano ogni giorno litri di liquido ricco di proteine, utilizzando le infrastrutture lattiero-casearie esistenti per la raccolta e la lavorazione. La proteina della seta di ragno sarebbe disciolta nel latte: basterebbe estrarla, purificarla e trasformarla in fibra.

I problemi erano altrettanto evidenti, anche se ci sono voluti anni per comprenderli appieno. Innanzitutto, il latte è un complesso brodo biologico contenente centinaia di proteine, grassi e zuccheri. La separazione di una specifica proteina, anche a concentrazioni di diversi grammi per litro, richiedeva una costosa cromatografia e filtrazione. In secondo luogo, le capre sono costose da mantenere. Richiedono terra, mangimi, cure veterinarie e circa due anni per raggiungere la maturità produttiva. In terzo luogo, ogni capra produce una concentrazione leggermente diversa di proteine della seta a seconda della genetica, della dieta e del ciclo di lattazione. La costanza, il santo Graal industriale, era quasi impossibile.

E quarto, forse il più dannoso: la scala richiedeva mandrie. Centinaia di capre. Migliaia, alla fine, per produrre quantità rilevanti dal punto di vista commerciale. Il romanticismo delle capre ragno evaporava rapidamente di fronte alla logistica dell'allevamento industriale.

I batteri erano più pratici, ma avevano una loro maledizione. E. coli è stato il cavallo di battaglia della biotecnologia fin dagli anni '70: economico, a crescita rapida, facile da manipolare geneticamente. Far produrre ai batteri la proteina della seta di ragno è stato semplice. Ma non è stato facile far sì che producessero proteine della seta di ragno utili.

Il problema era rappresentato dai corpi di inclusione. Quando i batteri cercano di produrre grandi quantità di proteine estranee, in particolare proteine grandi e complesse come le spidroine, spesso vengono sopraffatti. Le proteine si ripiegano male e si aggregano in grumi densi e insolubili all'interno della cellula. Questi corpi di inclusione sono inutili: la proteina ha la forma sbagliata, è incapace di dissolversi e impossibile da centrifugare.

I ricercatori potevano aprire le cellule ed estrarre i corpi di inclusione utilizzando prodotti chimici aggressivi e calore elevato, per poi cercare di ripiegare la proteina nella sua struttura corretta. A volte funzionava. Spesso non funzionava. E quando funzionava, il processo era così dispendioso in termini di energia e di costi da annullare qualsiasi vantaggio economico derivante dall'uso dei batteri.

Il risultato: i batteri potevano produrre quantità, ma non qualità.

Lievito ha offerto una via di mezzo. Pichia pastoris e altri ceppi di lievito industriale hanno un meccanismo di ripiegamento delle proteine più sofisticato rispetto ai batteri: sono eucarioti, con compartimenti cellulari e proteine chaperone che aiutano a ripiegare correttamente le proteine complesse. Possono essere coltivati in bioreattori massicci utilizzando una tecnologia di fermentazione ben consolidata, lo stesso processo di base utilizzato per produrre birra o enzimi industriali.

Diverse aziende hanno puntato molto sul lievito. Bolt Threads, Spiber in Giappone e altre hanno sviluppato ceppi proprietari in grado di produrre spidroine con rese misurate in grammi per litro. Si trattava di un vero progresso. La proteina risultava solubile, correttamente ripiegata e in concentrazioni sufficientemente elevate da essere economicamente interessante.

Ma “economicamente interessante” si è rivelato un limite pericolosamente basso. La coltivazione del lievito richiede materie prime zuccherine, in gran quantità. La fermentazione industriale richiede il controllo della temperatura, condizioni sterili e un'agitazione costante. Tutto questo richiede energia. Dopo la fermentazione, è ancora necessario separare le proteine dalle cellule di lievito e dal terreno di coltura, per poi concentrarle alle alte densità necessarie per la filatura.

Quando le aziende hanno effettuato la contabilità completa dei costi, i numeri sono stati sconfortanti. Le prime stime per la fermentazione batterica indicavano costi di $35.000-50.000 per chilogrammo di proteine della seta utilizzabili. Le proiezioni accademiche più ottimistiche per i sistemi di lievito su scala suggeriscono $300-3.000 per chilogrammo su scala pilota, con costi teorici di $40-100 per chilogrammo possibili su scala industriale. Questo prima della filatura in fibra, solo per il materiale proteico grezzo.

A titolo di esempio, un chilogrammo di nylon costa circa $2. Il kevlar, una delle fibre più costose, costa circa $80 al chilogrammo come fibra finita, pronta per essere tessuta.

I bachi da seta transgenici sembravano poter risolvere tutto. I bachi da seta producono già seta, in quantità, in modo affidabile, da migliaia di anni. L'industria della sericoltura esisteva, con infrastrutture consolidate per la coltivazione dei bachi, la raccolta dei bozzoli e l'estrazione della fibra. Se solo si riuscisse a far produrre ai bachi da seta la seta di ragno invece della loro seta nativa, si avrebbe un'industria istantanea.

I ricercatori dell'Università di Notre Dame, dell'Università del Wyoming e di istituzioni in Cina e Giappone hanno seguito questo approccio. Hanno creato con successo bachi da seta transgenici che producono seta contenente proteine di seta di ragno, sia pura che mescolata con la seta nativa del baco.

La buona notizia è che ha funzionato. I vermi hanno filato bozzoli contenenti la proteina ingegnerizzata. La cattiva notizia è che la fibra risultante era incoerente. A volte le proteine della seta di ragno si incorporavano correttamente. A volte non lo facevano. Le fibre erano spesso più deboli della pura seta di baco e non presentavano l'eccezionale resistenza che rende speciale la seta di ragno.

E c'era un problema più fondamentale: i bachi da seta filano i loro bozzoli in un'unica fibra continua per diversi giorni, utilizzando un processo di filatura completamente diverso da quello dei ragni. Non potevano replicare la precisa coreografia chimica e meccanica del ragno. La proteina era giusta, ma il processo era sbagliato.

Piante e alghe rappresentava la frontiera della disperazione. Alcuni ricercatori hanno ingegnerizzato piante di tabacco, erba medica e persino patate per produrre proteine di seta di ragno. Altri hanno provato con le alghe, pensando che gli organismi fotosintetici potessero offrire una piattaforma di produzione sostenibile e a basso costo.

Questi sforzi hanno prodotto documenti e brevetti, ma poco altro. I rendimenti proteici erano estremamente bassi. Le piante non hanno i macchinari cellulari per piegare correttamente le proteine della seta di ragno e l'estrazione di proteine dai tessuti vegetali è notoriamente difficile e costosa. Le alghe sono andate anche peggio.

Cosa ha funzionato davvero e cosa ha significato

A metà degli anni Duemila, la prima ondata di aziende produttrici di seta di ragno poteva vantare un vero e proprio risultato: erano riuscite a produrre la proteina della seta di ragno in organismi non ragneschi su scale che potevano essere misurate in chilogrammi all'anno piuttosto che in milligrammi alla settimana.

Non era una cosa da niente. Quindici anni prima, l'unico modo per ottenere le proteine della seta di ragno era quello di sezionarle dai ragni. Ora è possibile coltivarla in un bioreattore.

Ma questo risultato è stato accompagnato da una brutale consapevolezza: produrre la proteina era solo l'inizio. Il vero problema, quello che avrebbe consumato altri due decenni e centinaia di milioni di dollari, era cosa fare della proteina una volta ottenuta.

La proteina esisteva come soluzione concentrata, talvolta chiamata “droga della seta”, un liquido viscoso a base di acqua contenente 20-50% di proteine in peso. Nel ragno, questa sostanza si trova nella ghiandola ampollosa maggiore, in attesa di essere trasformata in fibra dalla precisa sequenza di operazioni chimiche e meccaniche del canale di filatura.

Nella fabbrica, la droga giaceva in serbatoi e contenitori e i ricercatori la osservavano, cercando di capire come trasformarla in fibre che funzionassero davvero.

I primi tentativi utilizzavano metodi di estrusione tessile convenzionali, forzando la soluzione proteica attraverso un piccolo ugello, a volte in un bagno di coagulazione di metanolo o acetone, a volte semplicemente nell'aria. Questi metodi funzionavano per il nylon, il poliestere e persino il kevlar.

Hanno distrutto la seta di ragno.

Le fibre risultanti erano deboli, fragili e poco somiglianti alla seta di ragno naturale. Al microscopio elettronico, le molecole proteiche erano confuse, scarsamente allineate, con le regioni cristalline e amorfe che si formavano in modo casuale anziché nella struttura organizzata che conferisce alla seta di ragno le sue proprietà.

L'estrusione industriale era troppo veloce, troppo turbolenta, troppo violenta. Le proteine non hanno avuto il tempo di allinearsi prima di solidificarsi. I cristalli cruciali del foglio beta non si sono formati correttamente. La fibra appariva come seta di ragno al microscopio, ma si comportava come un mediocre nylon nei test.

Diverse aziende hanno annunciato di aver prodotto la “fibra di seta di ragno”. Tecnicamente era vero: si trattava di una fibra ottenuta dalla proteina della seta di ragno. Ma non era seta di ragno, non in un senso significativo. Le proprietà meccaniche non c'erano.

È stato come sintetizzare con successo tutti gli ingredienti di un violino Stradivari e assemblarli in un ukulele. Sì, sono entrambi strumenti a corda fatti di legno. No, non producono lo stesso suono.

Il pivot, il silenzio e lo shutdown

Nel 2009, la prima ondata si era conclusa. Nexia Biotechnologies, l'azienda di seta di ragno di più alto profilo, era silenziosamente crollata. I suoi beni, compreso l'allevamento di capre ragno, furono venduti a un'azienda canadese. Le capre furono infine donate alla Utah State University, dove Randy Lewis continuò la sua ricerca, non più come impresa commerciale, ma come curiosità accademica.

I Kraig Biocraft Laboratories, che si occupano di bachi da seta transgenici, sono passati ripetutamente dalle applicazioni militari ai dispositivi medici e ai tessuti performanti. Il prezzo delle azioni, una volta cavalcato l'onda dell'entusiasmo biotecnologico, si è assestato nel territorio delle azioni da pochi centesimi.

Altre aziende hanno fatto uscite più morbide. Hanno smesso di parlare di giubbotti antiproiettile e hanno iniziato a parlare di medicazioni per ferite. Hanno smesso di promettere di sconvolgere l'industria tessile e hanno iniziato a puntare su applicazioni mediche di nicchia, dove i costi elevati potevano essere giustificati da margini elevati e volumi ridotti.

Alcuni hanno semplicemente finito i soldi e hanno chiuso senza comunicati stampa o spiegazioni. I loro siti web sono stati oscurati. I loro brevetti sono scaduti o sono stati venduti. I ricercatori sono passati ad altri progetti.

Ciò che colpisce, a posteriori, è la scarsità di drammi che hanno accompagnato questi fallimenti. Non ci sono stati fallimenti spettacolari, non ci sono state inchieste giornalistiche, non ci sono state rese pubbliche. Le aziende sono semplicemente... svanite. I comunicati stampa sono diventati meno frequenti. I tempi si sono allungati silenziosamente. “Produzione commerciale nel 2005” è diventato “2008” è diventato “quando le condizioni lo permetteranno”.”

L'infrastruttura è rimasta. Le conoscenze sono rimaste. La tecnologia di produzione delle proteine ha continuato a migliorare in modo incrementale. I ceppi di lievito sono migliorati. I metodi di purificazione sono diventati più efficienti. I costi sono diminuiti, ma non abbastanza velocemente e non abbastanza.

Ma la promessa originaria - la visione trasformativa della seta di ragno come materiale rivoluzionario che avrebbe sostituito il Kevlar, reinventato le armature e lanciato una nuova industria dei materiali biologici - era morta in sordina, dimenticata solo dai ricercatori e dagli investitori che avevano scommesso le loro carriere e i loro capitali su di essa.

La lezione che hanno imparato troppo tardi

La prima ondata è fallita perché si è basata su un'incomprensione fondamentale del punto di difficoltà.

L'ingegneria genetica non è mai stata il collo di bottiglia. Sì, era tecnicamente impegnativa, ma era risolvibile con gli strumenti esistenti. Inserire i geni negli organismi, ottimizzarne l'espressione, scalare la fermentazione: questo era un territorio conosciuto, oggetto di libri di testo e di pratiche commerciali.

Il collo di bottiglia era sempre la trasformazione da liquido a solido. La filatura. Il processo che avviene in tre secondi all'interno dell'addome di un ragno e che ancora, vent'anni dopo aver prodotto la prima proteina di seta di ragno, non riusciamo a replicare su scala industriale mantenendo le eccezionali proprietà del materiale.

La prima ondata presupponeva che la conquista del ragno fosse la proteina, che il capolavoro dell'evoluzione fosse la struttura molecolare. Pertanto, una volta ottenuta la proteina, la parte difficile era fatta.

Si sbagliavano. Il capolavoro dell'evoluzione non era la proteina. È stato lo spinneret, la macchina biologica che prende la proteina e la converte in fibra con un'efficienza quasi perfetta e zero difetti, usando nient'altro che il controllo del flusso microfluidico e una chimica attentamente orchestrata.

Abbiamo copiato la ricetta. Non abbiamo copiato la cucina. E a quanto pare, nella produzione di seta di ragno, la cucina è tutto.

Questa constatazione avrebbe dato forma alla seconda ondata di tentativi. Ma prima l'industria ha dovuto affrontare una domanda ancora più elementare, che avrebbe dovuto essere posta all'inizio: se produrre seta di ragno è così difficile, perché non limitarsi ad allevare ragni?

La risposta a questa domanda spiega perché ogni approccio, per quanto intelligente, alla fine si scontra con lo stesso muro brutale.

Perché non si possono allevare i ragni

La domanda viene posta in ogni presentazione, in ogni riunione di presentazione, in ogni conversazione casuale sulla seta di ragno. Di solito, dopo circa cinque minuti, qualcuno alza la mano.

“Aspetta: se i bachi da seta possono essere allevati per produrre seta normale, perché non possiamo allevare i ragni?”.”

È una domanda perfettamente ragionevole. Ed è anche la domanda che spiega perché l'intera industria della seta di ragno esista nella sua forma attuale e tormentata. Perché se si potessero allevare i ragni, non sarebbe necessaria nessuna ingegneria genetica, nessuna biotecnologia, nessun programma di ricerca da centinaia di milioni di dollari. Basterebbe costruire allevamenti di ragni.

Le persone ci hanno provato. Per secoli, in realtà. Non ha mai funzionato. E il motivo per cui non funziona rivela qualcosa di fondamentale sui vincoli che hanno caratterizzato ogni successivo tentativo di produrre seta di ragno a livello commerciale.

L'esperimento che continua a fallire

Nel 1709, un naturalista francese di nome François Xavier Bon de Saint Hilaire tentò di creare la prima industria di seta di ragno al mondo. Raccolse ragni da giardino, li sistemò in telai e cercò di raccogliere la loro seta per produrre tessuti, in particolare guanti e calze, che presentò all'Accademia delle Scienze francese.

L'esperimento è tecnicamente riuscito. I guanti esistevano. Erano fatti di seta di ragno. L'Accademia era impressionata.

L'esperimento fu economicamente catastrofico. I ragni combatterono. Si uccidevano a vicenda. Si rifiutarono di produrre seta in modo costante. Saint Hilaire calcolò che per produrre una quantità di seta sufficiente per un singolo indumento erano necessari centinaia di ragni e innumerevoli ore di lavoro. Il costo era assurdo. Il progetto morì.

Trecento anni dopo, i ricercatori dell'American Museum of Natural History ci hanno riprovato. Tra il 2009 e il 2012, un team in Madagascar ha lavorato con più di un milione di ragni orbettino (Nephila) per produrre un unico tessuto di 11 piedi per 4 piedi, un mantello dorato esposto al Victoria and Albert Museum.

Il tessuto era stupefacente. Il processo è stato un vero incubo.

Ogni mattina gli operai raccoglievano i ragni in natura. Ogni ragno è stato imbrigliato in un piccolo telaio e la seta è stata estratta manualmente dai suoi spinneret, un processo chiamato “silking”, che sembra molto più delicato di quanto non sia. Ogni ragno ha prodotto circa 25 metri di seta utilizzabile prima di essere rilasciato in natura, con la necessità di essere ricatturato il giorno successivo.

I calcoli erano brutali: 23.000 ragni per produrre un grammo di seta. Quattro anni di lavoro per creare un singolo tessuto. Il mantello ha richiesto oltre un milione di ragni per essere completato.

È appeso in un museo come una curiosità, una testimonianza della perseveranza umana e della produttività dei ragni. È anche appeso come prova che l'allevamento di ragni è commercialmente impossibile.

La biologia che rompe il modello

Il motivo non è misterioso. È scritto nella biologia dei ragni a tutti i livelli, a partire dal più ovvio: i ragni sono predatori e i predatori non coltivano bene.

I bachi da seta sono erbivori, in particolare si nutrono di foglie di gelso. Si possono impacchettare migliaia di bachi da seta su vassoi impilati in magazzini, dare loro da mangiare foglie a buon mercato e loro coesisteranno pacificamente fino alla filatura dei bozzoli. Sono stati addomesticati per circa 5.000 anni. Sono ormai così specializzati nella produzione di seta che Bombyx mori, Il baco da seta domestico può a malapena sopravvivere in natura. È la mucca da latte degli invertebrati: docile, produttiva e completamente ottimizzata per l'uso umano.

I ragni non sono affatto così.

La maggior parte dei ragni di interesse per la produzione di seta, i tessitori di orbace come Nephila e Argiope-sono cacciatori solitari. Sono territoriali. La loro intera strategia evolutiva si basa sulla difesa di una porzione di territorio a forma di ragnatela e sul consumo di tutto ciò che vi si avvicina.

Se mettete due ragni vicini, non collaborano. Combattono. Il più grande di solito mangia il più piccolo.

Non si tratta di aggressività occasionale. Non è un problema che si può risolvere con una migliore progettazione della gabbia o con una gestione attenta. È un comportamento fondamentale, evolutosi nel corso di milioni di anni. I ragni femmina a volte mangiano i maschi anche durante l'accoppiamento: il cannibalismo sessuale è abbastanza comune in alcune specie da essere il risultato predefinito. L'idea che si possano convincere centinaia di ragni a vivere pacificamente in un recinto non ha alcun fondamento biologico.

In teoria, si potrebbe ospitare ogni ragno individualmente. Ma ora non state coltivando, state gestendo uno zoo. I costi di manodopera e di infrastruttura aumentano linearmente con il numero di ragni. Non c'è nessuna economia di scala, nessun guadagno di efficienza derivante dalle dimensioni.

Inoltre, a differenza dei bachi da seta, che producono un bozzolo di grandi dimensioni una volta e poi muoiono, consentendo la raccolta in massa, i ragni producono seta continuamente in piccole quantità. Fanno delle ragnatele, che si possono raccogliere, ma la seta delle ragnatele è appiccicosa e mista a più tipi di seta. La seta di trascinamento desiderata è la componente minoritaria.

L'unico metodo pratico è l'estrazione manuale, il processo di “silking” utilizzato in Madagascar, in cui gli esseri umani trattengono fisicamente ogni ragno ed estraggono la seta dalle sue spine. Si tratta di un processo lento, laborioso e stressante per il ragno, che riduce la produzione futura di seta.

La matematica che non funziona

Facciamo un po' di conti su quanto richiederebbe l'allevamento industriale di ragni.

Un prodotto Nephila Il ragno potrebbe produrre 50-100 metri di seta dragline al giorno se lo si raccoglie manualmente e lo si maneggia con cura. Questo sembra promettente finché non si calcola la massa: la seta dragline ha un diametro di circa 5 micron. Cento metri di seta pesano circa 10 milligrammi.

Dieci milligrammi. Per ragno. Al giorno.

Le fibre tessili industriali sono vendute a tonnellate. Una tonnellata corrisponde a un milione di grammi. Per produrre una tonnellata di seta di ragno all'anno tramite l'allevamento, occorrerebbero almeno 270.000 ragni che producono seta ogni giorno, ipotizzando una perfetta efficienza di raccolta e nessuna perdita.

In pratica, tenendo conto della mortalità, dello stress, delle variazioni stagionali e dell'impossibilità di raccogliere ogni singolo giorno, sarebbe necessario un milione di ragni in produzione attiva in qualsiasi momento.

Ora aggiungete le infrastrutture: recinti individuali (i ragni non possono condividere), alimentazione (ogni ragno ha bisogno di insetti vivi), gestione dei rifiuti, controllo del clima e il costo della manodopera per raccogliere manualmente la seta da un milione di singoli ragni al giorno.

Confrontate questa situazione con la sericoltura. I moderni allevamenti di bachi da seta producono diverse tonnellate di seta da un unico magazzino, utilizzando manodopera stagionale e raccogliendo in massa. I bachi da seta non hanno bisogno di alloggiamenti individuali, non si cannibalizzano a vicenda e producono automaticamente la loro seta in bozzoli comodi e raccoglibili.

Oppure paragonatelo alla produzione di fibre sintetiche. Un singolo impianto di produzione di nylon produce migliaia di tonnellate all'anno utilizzando un processo completamente automatizzato. Nessuna alimentazione. Nessuna gestione dei rifiuti. Nessuna cura individuale degli animali.

L'allevamento di ragni non è scalabile. Non può scalare. La biologia lo impedisce.

La decisione che ha segnato tutto

Questo vicolo cieco biologico è il motivo per cui l'intera industria della seta di ragno ha preso la strada che ha seguito. Poiché non è possibile allevare ragni, è necessaria una fonte alternativa di proteine della seta. Ciò significa biotecnologia: ingegnerizzare altri organismi per produrre la proteina al posto nostro.

Ma accettare questa necessità significava accettare un secondo problema, più difficile: se non si usano i ragni, non si usano nemmeno le loro spinneret. Non basta produrre le proteine, bisogna inventare un processo completamente nuovo per convertirle in fibre.

La produzione di seta del ragno è un sistema biologico integrato. La composizione proteica, l'ambiente chimico della ghiandola, le forze meccaniche di taglio nel condotto di filatura, la tempistica precisa dei cambiamenti di pH e degli scambi ionici: tutto questo si è evoluto insieme come un insieme combinato. Non si può estrarre una parte e aspettarsi che funzioni in modo indipendente.

Quando i ricercatori hanno scelto di abbandonare l'allevamento dei ragni a favore dell'ingegneria genetica, hanno implicitamente scelto di risolvere due problemi invece di uno:

1. Produrre la proteina in un organismo diverso dal ragno

2. Costruire una spinneret artificiale in grado di replicare il processo del ragno.

La prima ondata di aziende pensava che il problema #1 fosse quello più difficile. Si sbagliavano. Il problema #1 si è rivelato risolvibile con le biotecnologie esistenti, anche se a costi superiori a quelli sperati.

Il problema #2 - la filatura - si è rivelato ferocemente, inaspettatamente e persistentemente difficile. Così difficile che, a distanza di vent'anni, rimane irrisolto su scala industriale.

Perché questo è importante al di là della seta di ragno

L'impossibilità di allevare ragni non è solo una curiosità biologica. È il vincolo originario che ha imposto ogni decisione successiva nel campo. È il motivo per cui la seta di ragno è diventata una storia di biotecnologia piuttosto che di agricoltura. È il motivo per cui centinaia di milioni di dollari sono stati investiti in vasche di fermentazione e ingegneria genetica piuttosto che nell'allevamento di aracnidi.

Ed è per questo che il paragone con i bachi da seta, che rende così plausibile l'allevamento della seta di ragno, è fondamentalmente fuorviante. I bachi da seta non sono solo più facili da allevare rispetto ai ragni. Sono una categoria di organismi completamente diversa: addomesticati, cooperativi, ottimizzati per millenni per l'uso umano.

I ragni sono selvatici. Sono predatori. Sono prodotti dell'evoluzione che non ha mai previsto l'agricoltura umana. E si rifiutano, assolutamente e completamente, di collaborare con le esigenze economiche umane.

Questo rifiuto ha condizionato tutto. La via dell'ingegneria genetica non è stata scelta perché era migliore, ma perché era l'unica opzione. E una volta fatta questa scelta, l'industria si è trovata a cercare di replicare non solo un materiale, ma un intero processo di produzione biologica che l'evoluzione aveva impiegato 400 milioni di anni a perfezionare.

Non potendo allevare l'animale, abbiamo cercato di allevare la proteina. Ci siamo riusciti. Poi abbiamo scoperto che avere le proteine era solo metà del problema, forse meno della metà.

Il ragno è seduto nella sua ragnatela, una macchina biologica che non possiamo replicare e non possiamo coltivare, producendo un materiale che desideriamo disperatamente ma che non possiamo raccogliere economicamente. Questa impossibilità ha dato vita a un'industria. Ed è anche, per molti versi, il motivo per cui quell'industria ha trascorso trent'anni senza mantenere le sue promesse.

Non si possono allevare ragni. Così abbiamo provato a diventare loro. Ed è emerso che è ancora più difficile.

Il principale collo di bottiglia tecnico: Filatura, non proteine

C'è un momento in ogni laboratorio di ricerca sulla seta di ragno, di solito a tarda notte dopo mesi di lavoro, in cui un ricercatore prende in mano una fiala di soluzione concentrata di proteine della seta e si rende conto di avere davanti a sé un materiale geneticamente modificato del valore di un quarto di milione di dollari che non ha assolutamente idea di come utilizzare.

Le proteine sono perfette. La fermentazione ha funzionato. La purificazione è riuscita. La struttura molecolare è corretta: fogli di beta, regioni amorfe, tutto allineato nella sequenza progettata dalla natura. Avete forse 100 millilitri di soluzione contenente 30-40% di proteine della seta in peso. Più proteine della seta di ragno di quante ne produrrebbero cento ragni in un anno.

E potrebbe anche essere una zuppa costosa.

Perché il passo successivo - convertire il liquido in una fibra che abbia effettivamente le proprietà che rendono speciale la seta di ragno - rimane, dopo tre decenni di ricerca e centinaia di milioni di finanziamenti, il problema irrisolto che ha ucciso quasi tutte le iniziative commerciali sulla seta di ragno.

È qui che la storia diventa tecnica. E qui diventa anche importante. Perché capire perché la filatura è così difficile spiega perché l'intero settore è rimasto bloccato in posizione neutra per trent'anni, nonostante i continui progressi in ogni altra dimensione.

Perché la proteina non è mai stata il collo di bottiglia

Nel 2010, diversi gruppi di ricerca e aziende erano in grado di produrre proteine della seta di ragno su scala di chilogrammi. Bolt Threads aveva ceppi di lievito proprietari. Spiber, in Giappone, aveva una propria tecnologia di fermentazione. I laboratori accademici dello Utah State, di Cambridge e di altri paesi avevano dimostrato una produzione su scala di grammi.

Il problema delle proteine non è stato risolto nel senso di essere economico: i costi variavano da $300 a oltre $3.000 per chilogrammo su scala pilota, con proiezioni teoriche di $40-100 per chilogrammo su scala industriale. Ma il problema era risolto nel senso che la tecnologia esisteva, era riproducibile e stava migliorando costantemente. Ogni anno portava rendimenti più elevati, una migliore piegatura, una purificazione più efficiente.

Se la produzione di proteine fosse l'unica sfida, la seta di ragno sarebbe ormai un materiale di nicchia, costoso ma disponibile, come alcuni polimeri speciali o ingredienti farmaceutici.

Ma avere le proteine significa solo essere alla linea di partenza. La gara inizia quando si cerca di produrre fibre.

Ecco cosa sono in realtà le proteine della seta liquida: una soluzione acquosa altamente concentrata di proteine massicce e ripetitive sospese in un delicato equilibrio chimico. Le proteine sono ripiegate ma non ancora assemblate nella struttura finale della fibra. Sono solubili, il che significa che sono circondate da molecole d'acqua e mantengono una separazione tale da non aggregarsi e uscire dalla soluzione.

Nella ghiandola ampollosa principale del ragno, questa “droga di seta” si trova a concentrazioni di 30-50% di proteine, il massimo spessore che si possa ottenere mantenendo la fluidità. È conservata in un ambiente chimico attentamente controllato: pH specifico, concentrazioni di ioni specifiche, temperatura specifica. Se si modifica uno di questi parametri, la proteina inizia ad aggregarsi prematuramente. Se si sbaglia, la soluzione costosa si trasforma in una costosa ricotta.

Il ragno mantiene la sostanza stabile finché non è pronto a filare. Poi, in circa tre secondi, trasforma il liquido in una fibra solida con un allineamento molecolare quasi perfetto e proprietà meccaniche eccezionali.

È dagli anni '90 che cerchiamo di capire come farlo. Ci stiamo ancora provando.

La coreografia molecolare che non possiamo replicare

Il processo di filatura del ragno è un capolavoro di ingegneria chimica e meccanica compresso in un condotto lungo circa 5 millimetri e largo mezzo millimetro. Ciò che accade all'interno di quel condotto è contemporaneamente elegante e brutalmente complesso.

Prima fase: concentrazione. Il filo di seta entra nel canale di filatura ad alta concentrazione, ma con una quantità d'acqua sufficiente a mantenerlo liquido. Mentre scorre attraverso la sezione iniziale del canale, l'acqua viene riassorbita attivamente attraverso le pareti del canale. La concentrazione di proteine aumenta ulteriormente, costringendo le proteine ad avvicinarsi tra loro.

Seconda fase: acidificazione. Il pH si abbassa bruscamente, passando da circa 7,6 nella ghiandola a circa 6,3 nel condotto. Questo non è casuale. Le proteine della seta hanno aminoacidi specifici che rispondono ai cambiamenti di pH. A un pH più alto, si respingono elettrostaticamente. Quando il pH si abbassa, la repulsione si indebolisce. Le proteine iniziano ad associarsi.

Questa transizione di pH è incredibilmente precisa. Se è troppo veloce o troppo lenta, l'assemblaggio va male. Il ragno la controlla con cellule specializzate che rivestono il condotto e che pompano attivamente i protoni, creando un gradiente di pH regolare.

Terza fase: scambio ionico. Contemporaneamente all'acidificazione, cambia l'ambiente ionico. Gli ioni sodio e cloruro, che stabilizzano lo stato liquido, vengono rimossi. Vengono introdotti ioni potassio e fosfato. Questi scambi di ioni destabilizzano ulteriormente lo stato disciolto e favoriscono l'aggregazione delle proteine.

Anche in questo caso, il controllo è molto stretto. Il ragno non scarica ioni a caso. C'è uno schema spaziale, una sequenza attentamente orchestrata di cambiamenti chimici che guidano l'assemblaggio delle proteine.

Quarta fase: taglio meccanico. È qui che la fisica prende il posto della chimica. Il canale di rotazione si assottiglia e si restringe per tutta la sua lunghezza. Quando la soluzione proteica, che si sta addensando, viene tirata attraverso questo canale che si restringe, subisce forze di taglio crescenti.

Il taglio è ciò che accade quando il fluido scorre oltre una superficie o attraverso un vincolo. Immaginate il miele che scorre da un cucchiaio: il miele sulla superficie del cucchiaio si muove più lentamente di quello più lontano, creando strati che scivolano l'uno sull'altro. Questo è il taglio.

Nel condotto del ragno, le forze di taglio agiscono sulle proteine della seta, allungandole e allineandole fisicamente nella direzione del flusso. Questo è un aspetto critico. Le regioni cristalline del foglio beta devono formarsi parallelamente all'asse della fibra. Le regioni amorfe devono essere correttamente distribuite tra loro. Un allineamento casuale genera una fibra debole. Le forze di taglio del canale conico creano un allineamento direzionale.

Ma ecco il dettaglio cruciale: la cesoia deve essere abbastanza forte da allineare le proteine, ma abbastanza delicata da non interrompere il loro ripiegamento. Se il taglio è troppo debole, l'allineamento è scarso. Troppo e si denaturano le proteine, distruggendo la loro struttura.

Il ragno ottiene questo risultato attraverso un flusso laminare, un flusso liscio e stratificato senza turbolenze. Le proteine scivolano l'una sull'altra in fogli ordinati, allineandosi gradualmente e assemblandosi gradualmente nella struttura finale della fibra, man mano che i fattori chimici (pH, ioni) indicano loro quando bloccarsi in posizione.

Quinta fase: solidificazione. Quando la sostanza raggiunge l'estremità del condotto di rotazione, non è più un liquido. Le proteine si sono assemblate in fasci allineati. Il contenuto d'acqua è sceso a circa 10%. La fibra emerge solida, ma ancora piuttosto elastica, e completa l'indurimento finale nei secondi successivi, mentre viene allontanata dal canale di filatura.

L'intero processo, dall'ingresso del liquido nel condotto all'emersione della fibra solida, avviene su una scala temporale di pochi secondi.

Perché l'estrusione industriale distrugge tutto

Ecco cosa succede quando si cerca di replicare questo processo utilizzando un'apparecchiatura industriale per la produzione di fibre.

La filatura convenzionale delle fibre si presenta in due varietà principali: la filatura per fusione (utilizzata per il nylon e il poliestere) e la filatura a umido (utilizzata per il rayon e alcune aramidi). Entrambe prevedono la forzatura di un polimero attraverso un piccolo foro - la filatura - per formare una fibra continua.

La filatura per fusione utilizza il calore. Si fonde il polimero e lo si estrude attraverso piccoli fori. Quando emerge e si raffredda, si solidifica. Questo metodo funziona bene per i polimeri sintetici semplici che sono termicamente stabili.

È inutile per le proteine della seta di ragno. Le proteine si denaturano a temperature elevate. Le proteine della seta di ragno idratate iniziano a denaturare intorno ai 60-80°C, anche se le fibre secche possono tollerare ben oltre i 200°C. La filatura per fusione funziona tipicamente a 200-300°C. Si otterrebbe un carbone al sapore di proteine.

La filatura a umido evita il calore utilizzando solventi chimici. Si scioglie il polimero in un solvente, lo si estrude in un bagno di coagulazione (di solito una sostanza chimica diversa che fa precipitare il polimero) e si estrae la fibra risultante.

Questa soluzione si avvicina a quella che potrebbe funzionare per la seta di ragno. Diversi gruppi di ricerca hanno provato delle varianti: estrudere la seta in metanolo, acetone o varie soluzioni saline che fanno aggregare e solidificare le proteine.

E funziona, più o meno. Si ottiene la fibra. È fatta di proteine della seta di ragno. Al microscopio sembra una fibra.

Ma le proprietà meccaniche sono terribili. La resistenza alla trazione potrebbe essere pari a 30% della seta di ragno naturale. La tenacità, la proprietà critica che rende speciale la seta di ragno, è spesso peggiore del nylon. La fibra è fragile. Si rompe facilmente.

Cosa è andato storto?

Primo problema: l'allineamento. L'estrusione industriale è veloce. Per essere economicamente conveniente, è necessario un elevato rendimento: metri di fibra al secondo, non millimetri. A queste velocità, il flusso attraverso la centrifuga diventa turbolento, non laminare. Invece di strati lisci che scorrono l'uno sull'altro, si ha un mescolamento caotico e un orientamento casuale.

Le proteine della seta si muovono in modo casuale. Non si allineano. Quando si solidificano, sono confuse. Le regioni cristalline puntano in direzioni casuali. La struttura portante che dipende dall'allineamento parallelo non si forma correttamente.

Risultato: una fibra debole che si rompe a una frazione delle sollecitazioni che la seta naturale può sopportare.

Problema due: la cinetica. La trasformazione del ragno, della durata di tre secondi, è accuratamente ritmata. Il pH cambia gradualmente. Gli ioni si scambiano su una scala temporale specifica. Le proteine hanno il tempo di ripiegarsi, associarsi e allinearsi prima di essere bloccate nella struttura finale.

L'estrusione industriale avviene in millisecondi. La soluzione proteica colpisce il bagno di coagulazione ed esce immediatamente dalla soluzione. Le proteine si aggregano ovunque si trovino, comunque siano orientate. Non c'è tempo per un assemblaggio accurato.

Si ottiene una precipitazione veloce, non un'autoassemblazione controllata. È la differenza tra impilare con cura i mattoni per costruire un muro e scaricare un camion di mattoni in una pila.

Terzo problema: il taglio. Questo è il problema. Alle velocità di flusso industriali, le forze di taglio nello spinneret sono enormi, di ordini di grandezza superiori a quelle applicate dal ragno. Queste forze possono rompere i legami chimici, interrompere il ripiegamento delle proteine e creare un flusso talmente caotico da rendere impossibile l'allineamento.

Ma non si può semplicemente rallentare. Un flusso lento significa una bassa produttività e una produzione antieconomica. Il ragno può impiegare tre secondi perché ha bisogno di pochi metri di seta. Una fabbrica ha bisogno di chilometri all'ora per competere con la produzione di nylon.

La fisica non è scalabile. Il taglio delicato e controllato che funziona in un condotto di 0,5 millimetri per tre secondi non può essere replicato in un sistema più grande che opera a velocità più elevate. La dinamica dei fluidi cambia radicalmente. La turbolenza diventa inevitabile.

La trappola economica della filatura lenta

Alcuni gruppi di ricerca hanno ottenuto risultati impressionanti imitando più da vicino il ragno: estrusione lenta attraverso canali microfluidici, gradienti di pH accurati, scambio ionico controllato, forze di trazione delicate.

Nel 2017, un team dell'Università svedese di Scienze Agrarie ha dimostrato una filatura su scala di laboratorio che ha prodotto fibre che si avvicinano alle proprietà meccaniche della seta naturale (70%). Si è trattato di un vero e proprio passo avanti.

Lo hanno prodotto a circa un metro all'ora.

La produzione tessile industriale opera a 1.000-10.000 metri all'ora. Le linee di produzione del kevlar funzionano a circa 100 metri al minuto. Anche la produzione di fibre specializzate ad alte prestazioni prevede velocità misurate in metri al minuto, non in metri all'ora.

Questa è la trappola economica: più ci si avvicina a replicare il processo del ragno - e le proprietà meccaniche diventano migliori - più la produzione diventa lenta e costosa. Quanto migliore è la fibra, tanto meno è commercialmente redditizia.

Si può avere una fibra di qualità ragnesca a velocità e su scala ragnesca, producendo grammi al giorno a costi di migliaia di dollari al chilogrammo. Oppure si può avere una produttività industriale che produce tonnellate al giorno, ma la fibra perde le proprietà che hanno reso la seta di ragno degna di essere perseguita in primo luogo.

Non è stata ancora scoperta una via di mezzo. Le aziende che hanno annunciato la produzione di “fibra di seta di ragno” hanno scelto l'opzione della velocità industriale, accettando proprietà meccaniche drasticamente ridotte in cambio di tassi di produzione raggiungibili. La loro fibra era “seta di ragno” nella composizione molecolare, ma non nelle prestazioni.

Perché questo problema ha inghiottito centinaia di milioni di euro

La comprensione del collo di bottiglia della filatura spiega perché l'industria della seta di ragno si è evoluta nel modo in cui si è evoluta e perché non è riuscita a mantenere le sue promesse.

La produzione di proteine è stata risolta, più o meno, a metà degli anni 2010. La tecnologia di fermentazione funziona. I rendimenti continuano a migliorare. I costi continuano a diminuire. Se le proteine fossero sufficienti, avremmo un'industria della seta di ragno.

Ma le proteine non sono sufficienti. Le proteine sono solo una materia prima costosa che giace in un serbatoio, in attesa di un processo di produzione che non esiste su scala industriale.

Il processo di filatura richiede il controllo simultaneo della chimica (pH, ioni), della dinamica dei fluidi (flusso laminare, forze di taglio specifiche) e della cinetica (tempi di assemblaggio), il tutto in un processo continuo e sufficientemente veloce da essere economico. La natura lo fa in un condotto di cinque millimetri ottimizzato da 400 milioni di anni di evoluzione. Noi stiamo cercando di farlo in attrezzature industriali ottimizzate per polimeri completamente diversi con meccanismi di assemblaggio completamente diversi.

Ogni tentativo di scalare il processo rompe qualcosa. Ingrandire il condotto? Il flusso diventa turbolento. Accelerare il processo? L'allineamento fallisce. Utilizzare una coagulazione chimica più forte per accelerare la solidificazione? La struttura proteica si altera.

La soluzione del ragno è squisita, ma è squisitamente adattata a essere un ragno, a operare su scala ragnesca, a velocità ragnesca, a meccanismi di controllo ragneschi. Non vuole essere industrializzato. La fisica glielo impedisce. L'economia lo punisce.

Ecco perché, dopo trent'anni, non è ancora possibile acquistare un giubbotto antiproiettile in seta di ragno. Non perché non sappiamo cosa sia la seta di ragno. Non perché non riusciamo a produrre la proteina. Ma perché la trasformazione da liquido a solido - tre secondi di coreografia molecolare che avviene nell'addome di un ragno - resta al di là della nostra capacità di replicare economicamente su scala.

Abbiamo risolto la ricetta. Stiamo ancora cercando di costruire la cucina. E la cucina, a quanto pare, è la parte più difficile.

Il problema della scalabilità dei biomateriali

Nel 2008, una startup di seta di ragno chiamata Nexia Biotechnologies aveva un problema che, sulla carta, sembrava un successo. Potevano produrre proteine della seta di ragno nel latte di capra. Il loro processo di fermentazione era stato perfezionato. Il loro protocollo di purificazione funzionava. Nella loro struttura c'erano vasche di seta, pronte per essere filate in fibra.

Il problema era che quei serbatoi rappresentavano circa $2 milioni di proteine che nessuno sapeva come trasformare in qualcosa di redditizio.

L'azienda ha speso otto anni e $50 milioni per arrivare a questo punto. Avevano una prova di concetto. Avevano pubblicazioni. Avevano brevetti. Quello che non avevano era un percorso che portasse dal “possiamo farlo in laboratorio” al “possiamo venderlo a un prezzo superiore a quello di produzione”.”

Due anni dopo, Nexia era in bancarotta.

Questa è la valle della morte ed è il luogo in cui la maggior parte delle aziende di biomateriali va a morire. Non all'inizio, quando la scienza è ancora incerta. Non alla fine, quando la produzione è in scala e i clienti acquistano. Ma nel mezzo, nella brutale transizione da una tecnologia dimostrata a una produzione fattibile.

La seta di ragno sta morendo in questa valle da trent'anni.

L'illusione del progresso

C'è una dinamica particolare nella ricerca sulle scienze dei materiali che fa sembrare i fallimenti come uno slancio in avanti. Ogni anno qualcuno pubblica un articolo che mostra una migliore resa delle proteine, o migliori proprietà delle fibre, o un nuovo approccio alla filatura. Ogni pochi anni, una startup annuncia di aver raggiunto una capacità produttiva “rivoluzionaria”.

I numeri sembrano impressionanti: “Miglioramento di 10 volte dell'efficienza di fermentazione”. “Resistenza delle fibre a 800 MPa”. “Capacità di produzione di 50 kg all'anno”.”

Per chi non è del settore - un investitore, un giornalista, un appaltatore della difesa - queste sembrano pietre miliari importanti. Sembrano un'industria che si sta avvicinando alla redditività commerciale.

Per qualcuno che capisce la produzione industriale, sembra che qualcuno stia festeggiando il fatto di aver imparato a camminare mentre cerca di qualificarsi per le Olimpiadi.

Il divario tra il successo in laboratorio e la fattibilità industriale non è lineare. Non è nemmeno logaritmico. È una serie di problemi composti che si moltiplicano a vicenda, creando una barriera che diventa esponenzialmente più difficile man mano che ci si avvicina.

Cosa significa “scala industriale” in realtà

Quando una startup annuncia una produzione di 50 chilogrammi all'anno, il comunicato stampa spesso include proiezioni: “Questa capacità potrebbe scalare a 500 chilogrammi, poi a 5 tonnellate, consentendo applicazioni commerciali nei tessuti ad alte prestazioni”.”

Ecco cosa sfugge a questa proiezione: i materiali industriali non vengono consumati in chilogrammi. Vengono consumati in tonnellate. Migliaia di tonnellate.

Produzione globale di nylon tessile: circa 6 milioni di tonnellate all'anno. Produzione di fibre para-aramidiche (che include il Kevlar): circa 110.000 tonnellate all'anno. Anche le fibre aramidiche speciali occupano nicchie di mercato misurate in migliaia di tonnellate all'anno.

Per essere rilevanti nel mercato delle fibre ad alte prestazioni - non dominanti, ma solo rilevanti - bisogna essere in grado di produrre almeno centinaia di tonnellate all'anno. Altrimenti, non si possono fornire contratti. Non si può garantire la coerenza. Non si possono ottenere le economie di scala che rendono il prezzo competitivo.

Cinquanta chilogrammi all'anno sembrano tanti se si è un ricercatore che prima ne produceva 50 grammi. È un miglioramento di mille volte. Sembra un successo.

Ma cinquanta chilogrammi all'anno corrispondono a circa 140 grammi al giorno. Sono cinque once. Si potrebbe trasportare l'intera produzione annuale in una borsa della spesa.

Il passaggio da 50 chilogrammi all'anno a 100 tonnellate all'anno non è un progresso incrementale. Si tratta di una scalata di 2.000 volte. E ogni passo di questa scalata introduce nuovi problemi.

La catastrofe della contaminazione

Uno degli aspetti più brutali della produzione biologica è il rischio di contaminazione. È un problema che le aziende farmaceutiche hanno impiegato decenni per imparare a gestire, con costi enormi. Le aziende produttrici di biomateriali stanno imparando le stesse lezioni, con molti meno fondi e meno margine di errore.

Ecco lo scenario: Si sta gestendo un bioreattore da 10.000 litri che coltiva un lievito che produce proteine della seta di ragno. La fermentazione dura 3-5 giorni. Alla fine, se tutto va bene, avete 10.000 litri di brodo di fermentazione contenente circa 30 kg di proteine.

Quei 30 chilogrammi valgono - al prezzo più ottimistico - circa $3.000-$10.000, a seconda dei costi di produzione. L'intero lotto rappresenta forse $20.000 di materie prime (zucchero, nutrienti, terreno di coltura), energia e manodopera.

Immaginate ora un evento di contaminazione. I batteri entrano nel reattore. Forse provengono dal sistema di trattamento dell'aria. Forse da una valvola non correttamente sterilizzata. Forse dalla rete idrica. La contaminazione non si limita a rallentare la crescita del lievito, ma consuma attivamente i nutrienti destinati al vostro ceppo ingegnerizzato. Produce prodotti di scarto che possono denaturare le proteine. Trasforma il vostro costoso lotto in un rifiuto insalvabile.

In un laboratorio di piccole dimensioni, con beute da 1 litro, un'attenta tecnica sterile e un monitoraggio costante da parte dei ricercatori, la contaminazione è rara. In un bioreattore industriale da 10.000 litri che funziona ininterrottamente per giorni, con linee di alimentazione multiple, porte di campionamento e sistemi di controllo della temperatura, la contaminazione è una minaccia persistente.

La produzione farmaceutica affronta questo problema con misure estreme: camere bianche, sterilizzazione ridondante, componenti di bioreattori monouso, test di qualità approfonditi in ogni fase. Queste misure funzionano. Ma costano anche milioni di dollari per essere implementate e mantenute.

Le aziende di biomateriali che cercano di competere con il nylon da $2 al chilogrammo non possono permettersi un controllo della contaminazione di livello farmaceutico. Ma non possono nemmeno permettersi di perdere lotti. Un tasso di contaminazione anche solo di 5% - un lotto fallito su venti - può distruggere completamente i vostri profitti quando i vostri margini sono già sottili.

Il costo della depurazione di cui nessuno parla

Dopo la fermentazione, si ha una complessa zuppa biologica: cellule di lievito, terreno di coltura esaurito, sottoprodotti metabolici e, da qualche parte in questa confusione, la proteina della seta di ragno. Ora è necessario estrarla.

Questo processo, chiamato lavorazione a valle, è sempre la parte più costosa della produzione biologica. Per la seta di ragno, spesso rappresenta il 40-60% del costo totale di produzione.

La proteina deve essere separata dalla massa cellulare. Ciò richiede l'apertura delle cellule (se la proteina è intracellulare) o la separazione dalle cellule (se è secreta nel mezzo di coltura). Poi è necessario rimuovere tutte le altre proteine, gli acidi nucleici, i lipidi e i detriti cellulari.

In genere, ciò comporta più fasi: centrifugazione per rimuovere le cellule, filtrazione per eliminare i contaminanti di grandi dimensioni, cromatografia per separare la proteina da tutto il resto e infine concentrazione per portare la proteina all'alta densità necessaria per la centrifugazione.

Ogni passaggio costa denaro. Le centrifughe consumano energia. I filtri si intasano e devono essere sostituiti. Le resine cromatografiche sono costose e hanno cicli di riutilizzo limitati. La concentrazione richiede membrane di ultrafiltrazione costose o un'evaporazione ad alto consumo energetico.

Ma ecco il vero problema: questi costi non si riducono proporzionalmente. L'esecuzione di un piccolo processo di purificazione costa per chilogrammo quasi quanto l'esecuzione di un processo di grandi dimensioni, perché sono necessarie le stesse attrezzature, lo stesso controllo di qualità e la stessa manodopera specializzata.

Questo crea un circolo vizioso. Non ci si può permettere un'apparecchiatura su scala industriale finché non si producono volumi industriali. Ma non si possono raggiungere volumi industriali in modo redditizio finché non si dispone di apparecchiature su scala industriale che riducano i costi di purificazione per chilogrammo.

Molte aziende produttrici di seta di ragno hanno scoperto, dopo anni di sviluppo, che il costo della sola purificazione - prima della filatura, prima di qualsiasi valore aggiunto - rendeva il loro prodotto non competitivo rispetto ai materiali esistenti. Avevano ottimizzato la fermentazione, ottenuto alti rendimenti, ma non erano ancora riusciti a far quadrare i conti.

Coerenza: Il killer invisibile

In laboratorio ci si aspetta una certa variabilità. Il lotto A produce 27 grammi di proteine per litro. Il lotto B produce 31 grammi per litro. Si annota la differenza nel quaderno di laboratorio, si indaga su cosa è cambiato e si va avanti.

Nella produzione industriale, questa variabilità è una catastrofe.

I clienti industriali - produttori di tessuti, appaltatori della difesa, aziende di dispositivi medici - richiedono materiali con proprietà specifiche e garantite. Quando ordinano 1.000 chilogrammi di fibra con una resistenza alla trazione di 1,0 GPa e un allungamento a rottura di 15%, hanno bisogno che ogni chilogrammo soddisfi quella specifica.

Non in media. Non nella maggior parte dei casi. Ogni singolo chilogrammo, ogni singolo lotto, per sempre.

Questo è straordinariamente difficile nella produzione biologica. Le prestazioni della fermentazione variano con sottili cambiamenti di temperatura, velocità di miscelazione, tempi di alimentazione e persino l'età della coltura cellulare. La qualità delle proteine varia in base alle condizioni di fermentazione: lo stesso ceppo genetico può produrre proteine con ripiegamenti leggermente diversi, modifiche post-traduzionali diverse, purezza diversa.

Queste variazioni avvengono a cascata. Proteine leggermente diverse che entrano nel processo di filatura producono fibre con proprietà meccaniche leggermente diverse. Un lotto più forte di 5% rispetto alle specifiche è problematico quanto uno più debole di 5%: il cliente non può usare materiale che non rientra nel suo intervallo di tolleranza.

Il raggiungimento della coerenza tra i lotti richiede un controllo ossessivo del processo. Ogni parametro deve essere monitorato e mantenuto entro finestre ristrette. Ogni elemento in ingresso, acqua, aria, deve essere di qualità costante. Ogni pezzo dell'apparecchiatura deve funzionare in modo identico ogni volta.

Le aziende farmaceutiche ottengono questo risultato attraverso la cosiddetta convalida del processo: ampia documentazione, controllo statistico del processo e test esaustivi. Possono permetterselo perché i prodotti farmaceutici hanno margini enormi. Una proteina terapeutica può essere venduta a $10.000 al chilogrammo o più.

La proteina della seta di ragno, per essere competitiva come materiale, deve essere venduta a un prezzo inferiore a $100 al chilogrammo, possibilmente a $50. Non c'è margine per i costi generali del controllo di qualità. Ma non c'è nemmeno un mercato senza di esso.

Diverse aziende hanno lottato con questa tensione. Potevano produrre fibre con proprietà medie eccellenti, ma la variazione da lotto a lotto era troppo elevata. Un lotto veniva testato a 90% di proprietà della seta naturale e si entusiasmava. Il lotto successivo è stato testato a 60%. Il terzo sarebbe tornato a 85%.

Per un cliente industriale, questa incoerenza rende il materiale inutilizzabile. Non si può progettare un prodotto con un materiale di cui non si possono garantire le proprietà. Non importa se la media è buona se la gamma è troppo ampia.

La trappola del Capex

Ecco la realtà economica più brutale della scalabilità dei materiali: la spesa in conto capitale arriva prima dei ricavi.

Per produrre fibra di seta di ragno a volumi commercialmente rilevanti, ad esempio 100 tonnellate all'anno, è necessario:

- Capacità di fermentazione su scala industriale: bioreattori multipli da oltre 50.000 litri

- Apparecchiature per il trattamento a valle: centrifughe industriali, sistemi di filtrazione, colonne cromatografiche

- Attrezzature per la filatura delle fibre: sistemi progettati su misura (perché le attrezzature commerciali per la filatura non funzionano per la seta di ragno)

- Laboratori per il controllo qualità: attrezzature analitiche, impianti di prova, personale addestrato.

- Infrastruttura della struttura: camere bianche, servizi, gestione dei rifiuti, stoccaggio.

Il costo totale del capitale per un impianto in grado di produrre 100 tonnellate all'anno di fibra di seta di ragno? Le stime degli esperti del settore variano da $50 milioni a $150 milioni, a seconda della tecnologia specifica e della posizione.

Questo denaro deve essere raccolto e speso prima di produrre la prima tonnellata commerciale. Prima di avere clienti. Prima di sapere con certezza che il vostro processo funzionerà su scala reale. Prima di avere delle entrate.

Questo è ciò che i venture capitalist chiamano un modello di business “ad alta intensità di capitale”, e lo odiano. L'azienda ideale sostenuta dai venture capital è a basso consumo di risorse: software, servizi, cose che si scalano con un minimo di capitale aggiuntivo. La produzione di materiali è l'opposto. È un'attività pesante, ad alta intensità di capitale e lenta nel raggiungere la redditività.

Anche i rendimenti sono più bassi. Anche se tutto va bene, un'azienda di materiali può ottenere margini di profitto di 20-30% in un mercato maturo. Un'azienda di software di successo potrebbe ottenere margini superiori a 80%. A parità di capitale investito e di rischio, i CR preferiscono finanziare il software.

Questo spiega perché molte aziende produttrici di seta di ragno hanno esaurito i fondi proprio quando si stavano avvicinando alla scala. Hanno raccolto $10 milioni per sviluppare la tecnologia. Hanno raccolto altri $20 milioni per costruire un impianto pilota. Ora hanno bisogno di $100 milioni per realizzare la produzione commerciale, ma gli investitori sono esausti, la tempistica si è allungata da “3 anni al mercato” a “forse altri 5 anni” e nessuno vuole firmare il prossimo assegno.

La danza mortale della scala

L'aspetto più crudele del problema della scalabilità dei biomateriali è che non si può convalidare il processo finché non si costruisce in scala, ma non si può giustificare la costruzione in scala finché non si è convalidato il processo.

Una produzione su piccola scala di 100 litri, 1.000 litri o addirittura 10.000 litri non permette di prevedere come si comporterà il processo a 100.000 litri. Le dinamiche di miscelazione cambiano. Il trasferimento di calore diventa più difficile. I rischi di contaminazione aumentano. I comportamenti delle apparecchiature cambiano.

Le aziende farmaceutiche gestiscono questo aspetto attraverso un processo di scale-up metodico: studi pilota approfonditi, caratterizzazione accurata ad ogni scala, proiezioni prudenti. Possono permetterselo perché stanno lavorando per un prodotto che potrebbe essere venduto a $100.000 al chilogrammo.

Le aziende produttrici di materiali stanno lavorando per un prodotto che deve essere venduto a $50 al chilogrammo. Non possono permettersi anni di attenti studi pilota. Sono pressate dagli investitori a muoversi in fretta, a raggiungere rapidamente la scala commerciale, a iniziare a generare entrate prima che il denaro finisca.

Quindi fanno salti più grandi. Passano da 1.000 litri a 50.000 litri sulla base di dati limitati. E a volte funziona in modo diverso dal previsto. Il tasso di contaminazione è più alto. La resa proteica è inferiore. L'efficienza di purificazione diminuisce.

Ora avete speso $30 milioni per costruire un impianto che non funziona come previsto. Il costo per chilogrammo è 50% più alto di quanto previsto dal modello. Non siete competitivi. Non potete raccogliere altri fondi perché avete già fallito in scala.

L'azienda che era “a pochi anni dalla produzione commerciale” è improvvisamente a pochi mesi dal fallimento.

Perché i “chilogrammi all'anno” sono una trappola

Quando le aziende produttrici di seta di ragno annunciano le pietre miliari della produzione - ”Abbiamo raggiunto i 100 chilogrammi di capacità produttiva” - spesso sono tecnicamente corrette ma economicamente prive di significato.

Una capacità di 100 chilogrammi all'anno significa che è possibile produrre circa 275 grammi al giorno. Questo è sufficiente per rifornire i laboratori di ricerca, per realizzare prototipi di materiali, per dimostrare la prova di concetto. Non è neanche lontanamente sufficiente per rifornire un singolo cliente industriale con una singola linea di prodotti.

Un produttore automobilistico che utilizza fibre ad alte prestazioni in un componente composito potrebbe aver bisogno di 10-50 tonnellate all'anno solo per quell'applicazione. Un appaltatore della difesa che produce armature ha bisogno di centinaia di tonnellate all'anno. Un produttore di tessuti ha bisogno di migliaia di tonnellate all'anno.

Il divario tra “possiamo produrre questo” e “possiamo produrne abbastanza da essere importanti” è il punto in cui la maggior parte delle aziende di biomateriali si blocca. Hanno risolto il problema scientifico, dimostrato la tecnologia e ora sono intrappolate in una fase di scale-up che richiede capitali che non possono raccogliere, competenze che non hanno e tempo che gli investitori non vogliono concedere.

Si festeggiano i traguardi del chilogrammo perché è un vero progresso rispetto al punto di partenza. Ma al mercato non interessano i chilogrammi. Al mercato interessano le tonnellate, la consistenza e il prezzo.

Ecco perché, dopo trent'anni di progressi, dopo migliaia di ricerche e centinaia di milioni di investimenti, non è ancora possibile acquistare quantità industriali di fibra di seta di ragno a prezzi che abbiano un senso commerciale.

La Valle della Morte ha mietuto quasi tutti coloro che hanno tentato di attraversarla. E i pochi sopravvissuti che sono riusciti ad attraversarla sono ancora in cammino, ancora lontani anni dall'altra sponda, bruciando denaro a ogni passo.

La trappola del biomimetismo: perché “copiare la natura” continua a fallire

Nel 1948, un ingegnere svizzero di nome George de Mestral tornò da una battuta di caccia ricoperto di bave. Invece di imprecare e raccoglierle, le esaminò al microscopio. I minuscoli ganci sulla superficie della bava si erano impigliati nelle asole del suo tessuto. Quattro anni dopo inventò il Velcro.

Questa è la storia dell'origine della biomimetica, ripetuta nei casi di studio delle scuole di business e nei discorsi sull'innovazione: osservare la natura, copiare il meccanismo, trarre profitto. È una struttura seducente. La natura ha avuto miliardi di anni per ottimizzare le soluzioni. Noi dobbiamo solo osservare, capire e replicare.

La seta di ragno divenne il manifesto di questo approccio. L'evoluzione aveva impiegato 400 milioni di anni per perfezionare un super materiale. Tutto quello che dovevamo fare era copiarlo.

Trent'anni dopo, ci stiamo ancora provando. E il costante fallimento rivela qualcosa di scomodo sulla biomimetica come strategia di innovazione: a volte copiare la natura non è ingegneria intelligente. A volte è una trappola che porta sistematicamente nella direzione sbagliata.

Per cosa ottimizza l'evoluzione

Ecco l'equivoco fondamentale che ha condannato l'industria della seta di ragno fin dall'inizio: l'evoluzione non ottimizza l'efficienza, il costo o la scalabilità. Ottimizza il successo riproduttivo all'interno di uno specifico contesto ecologico.

Il sistema di produzione della seta del ragno è ottimizzato per un predatore solitario che deve produrre pochi metri di fibra al giorno per catturare gli insetti ed evitare di essere mangiato. Questo è quanto. Questo è il criterio di fitness con cui l'evoluzione stava lavorando.

Il sistema deve funzionare in modo abbastanza affidabile, non perfetto, ma sufficiente a mantenere il ragno in vita abbastanza a lungo da riprodursi. Deve utilizzare le risorse di cui il ragno dispone: le proteine delle prede digerite, l'energia metabolica di quegli stessi pasti. Non è assolutamente necessario che sia veloce, o economico (in termini economici), o coerente in modi importanti per la produzione industriale.

Il ragno ricicla la sua tela ogni giorno, mangiando la seta vecchia per recuperare le proteine. Se un filo si rompe, il ragno ne crea un altro. Se la produzione di seta è più lenta in una mattina fredda, va bene: quel giorno il ragno catturerà meno insetti, ma non morirà di fame. Il sistema biologico è dotato di flessibilità, ridondanza e tolleranza agli errori.

La produzione industriale non può tollerare nulla di tutto ciò. Una fabbrica che produce 20% di fibra in meno nei giorni freddi è una fabbrica fallita. Un processo che richiede errori di riciclaggio e ritrattamento è un processo antieconomico. Un sistema che funziona in modo “sufficientemente affidabile” invece che “perfettamente ogni volta” viene chiuso.

L'evoluzione ha ottimizzato il ragno per la sopravvivenza in natura. Nel capitalismo abbiamo bisogno di ottimizzazione per il profitto. Non si tratta dello stesso problema di ottimizzazione.

Le leggi di scala che la natura ignora

C'è una questione più profonda che i sostenitori della biomimetica discutono raramente: i sistemi naturali non scalano linearmente e spesso non scalano affatto.

Il condotto di filatura del ragno è lungo circa 5 millimetri e largo mezzo millimetro. Il filo di seta vi scorre a una velocità misurata in millimetri al secondo. Queste dimensioni creano dinamiche fluide specifiche: flusso laminare, forze di taglio controllate, diffusione prevedibile di ioni e gradienti di pH.

Ora immaginate di scalare questo risultato di 100 volte. Se si vuole lavorare una quantità di seta 100 volte superiore, si costruisce un condotto di volume 100 volte maggiore, magari lungo 50 millimetri e largo 5 millimetri.

La fisica non è scalabile. Per niente.

La relazione tra la superficie di un sistema e il suo volume cambia con la scala. Se si raddoppiano le dimensioni lineari di un tubo, si quadruplica la sua superficie ma si aumenta il suo volume di otto volte. Ciò influisce sul trasferimento di calore, sui tassi di diffusione e sulle dinamiche di miscelazione in modi che sono matematicamente inevitabili.

Più criticamente, cambia il regime del flusso. Il piccolo condotto del ragno opera in un intervallo in cui dominano le forze viscose: il flusso è regolare e prevedibile. Se lo si ingrandisce, aumentando la portata per mantenere un rendimento economico, si passa a un regime in cui dominano le forze inerziali. Il flusso diventa turbolento. L'attento taglio laminare che allineava le proteine è sostituito da un rimescolamento caotico che le strapazza.

Non è un problema che si può aggirare con l'ingegneria. È un problema di fisica. Le equazioni della fluidodinamica sono non lineari. Il comportamento dei fluidi a diverse scale è fondamentalmente diverso.

Non si può semplicemente costruire una centrifuga più grande. La centrifuga più grande opera in un regime fisico diverso in cui la soluzione del ragno non funziona.

Il problema dell'integrazione

Il sistema di produzione della seta del ragno non è un modulo a sé stante. È profondamente integrato nell'intera fisiologia del ragno.

La ghiandola della seta è rifornita di sostanze nutritive dall'apparato digerente del ragno, che ha già scomposto ed elaborato le materie prime. I gradienti di pH nel condotto di filatura sono mantenuti da cellule alimentate dal metabolismo del ragno e controllate dal suo sistema nervoso. La forza meccanica di trazione proviene dalle zampe del ragno, con un feedback propriocettivo che indica al ragno esattamente la velocità di trazione e la tensione da applicare.

Controllo della temperatura? La temperatura corporea del ragno. Apporto di ioni? L'emolinfa (sangue) del ragno. Eliminazione dei rifiuti? Il sistema escretore del ragno. Controllo della qualità? Se la seta non funziona correttamente, il ragno compensa il suo comportamento: tira più forte, aggiusta l'architettura della sua tela o la ricostruisce completamente.

L'intero sistema funziona perché è incorporato in un organismo vivente che fornisce automaticamente contesto, controllo e correzione.

Ora provate a estrarre solo il canale di rotazione e a replicarlo in una fabbrica. È necessario fornire artificialmente tutti i sistemi di supporto. Servono pompe per far circolare gli ioni. Sistemi di controllo per gestire il pH. Regolazione della temperatura. Sensori di forza e anelli di feedback. Apparecchiature analitiche per rilevare quando qualcosa va storto.

Non si sta copiando la spinneret del ragno. Si sta cercando di copiare l'intero ragno, meno le parti che non si vogliono. E si scopre che non è possibile separarle in modo netto.

Questa è la trappola del biomimetismo allo stato puro: l'elegante soluzione che si sta cercando di copiare funziona solo perché è integrata in un sistema biologico complesso. La “soluzione” e il “sistema” sono inseparabili. Non si può avere l'una senza l'altra.

La struttura dei costi che non interessa all'evoluzione

Ecco un esperimento di pensiero: Quanto “costa” a un ragno produrre seta?

Da un punto di vista economico, questa domanda non ha senso. Il ragno non compra materie prime. Cattura una preda, la digerisce e utilizza gli aminoacidi che ne derivano. Non c'è fattura, né prezzo al chilogrammo, né costo dei beni venduti.

Il costo energetico? Lo fornisce il metabolismo del ragno, alimentato dalle stesse prede. Non c'è bolletta elettrica. L'attrezzatura? Le ghiandole della seta sono cresciute naturalmente come parte dello sviluppo del ragno. Non c'è un piano di ammortamento.

La “struttura di produzione” del ragno è libera, auto-replicante e auto-mantenuta. Le materie prime sono libere. L'energia è libera. Il controllo di qualità è un feedback neurale integrato. La manodopera è... beh, il ragno stesso.

Considerate ora quanto costa a una fabbrica la produzione di seta:

- Materia prima: $5-15 per chilogrammo di substrato zuccherino per la fermentazione

- Energia: elettricità per i bioreattori, le pompe, il controllo della temperatura, la purificazione.

- Capitale: bioreattori, attrezzature per la centrifugazione, laboratori di controllo qualità - ammortizzati nel tempo

- Manodopera: operatori qualificati, ingegneri, tecnici del controllo qualità

- Spese generali: manutenzione della struttura, conformità alle normative, assicurazione.

- Smaltimento dei rifiuti: brodo di fermentazione esaurito, lotti falliti, solventi di purificazione.

Ogni singola categoria di costo che è zero per lo spider è non-zero, spesso drammaticamente non-zero, per la produzione industriale.

L'evoluzione ha ottimizzato un sistema in cui tutti questi costi sono esternalizzati, assorbiti dal normale metabolismo e dalle funzioni biologiche del ragno. Stiamo cercando di replicare l'output pagando esplicitamente ogni input.

Ecco perché l'approccio “copiare la natura” è stato condannato fin dall'inizio. Non stavamo cercando di copiare un processo produttivo. Stavamo cercando di copiare il risultato finale di un processo di produzione, utilizzando però economie e vincoli completamente diversi.

È come guardare qualcuno che cucina un piatto nella sua cucina di casa e pensare: “Lo copierò e aprirò un ristorante”. Il cuoco di casa non si preoccupa delle percentuali di costo del cibo, dell'efficienza del lavoro o delle norme sanitarie. Il ristorante deve preoccuparsi di tutto questo. La stessa ricetta produce economie completamente diverse in contesti diversi.

Quando la biomimetica funziona davvero

A dire il vero, la biomimetica non è sempre una trappola. Il velcro ha funzionato. Le superfici ispirate alla pelle di squalo che riducono la resistenza aerodinamica sono state commercializzate con successo. Gli adesivi ispirati al geco sono prodotti reali.

Che cosa hanno in comune questi successi? Hanno copiato un principio, non un processo.

Il velcro non cerca di far crescere le bave. Utilizza ganci e anelli di plastica fabbricati con uno stampaggio a iniezione standard. Il meccanismo è biomimetico - ganci che si agganciano alle asole - ma l'implementazione è industriale.

Le superfici ispirate alla pelle di squalo non cercano di replicare il suo processo di crescita biologica. Utilizzano tecniche di microfabbricazione per creare modelli di superficie simili su materiali diversi. Il modello è biomimetico, la produzione è quella convenzionale.

I fallimenti - e la seta di ragno ne è l'esempio principale - si verificano quando si cerca di copiare il processo biologico stesso. Quando si cerca di far sì che la fabbrica si comporti come l'organismo.

Il ragno produce seta attraverso un processo biologico che si è evoluto in un contesto biologico con vincoli biologici ed economia biologica. Cercare di replicare quel processo in un contesto industriale, con vincoli industriali ed economia industriale, è un errore di categoria.

Il costo irrecuperabile dell'impegno

A metà degli anni 2000, molti ricercatori sulla seta di ragno avevano capito il problema. L'approccio biomimetico puro - replicare la spinneret, imitare il processo naturale il più possibile - non funzionava. Più si avvicinavano a copiare la natura, meno il processo diventava economicamente vantaggioso.

Ma a quel punto erano stati spesi centinaia di milioni di dollari per questo approccio. Le aziende avevano costruito i loro stack tecnologici attorno alla filatura biomimetica. Avevano assunto biologi specializzati nella fisiologia dei ragni. Avevano depositato brevetti che descrivevano processi di produzione ispirati alla biologia.

Allontanarsi dalla biomimetica significava ammettere che l'approccio fondamentale era stato sbagliato. Significava cancellare anni di ricerca. Significava spiegare agli investitori perché la strategia di base doveva cambiare.

Molte aziende non hanno fatto un pivot. Hanno raddoppiato. Hanno continuato a cercare di far funzionare l'approccio biomimetico, modificando i parametri, ottimizzando le condizioni, perseguendo miglioramenti marginali in un quadro fondamentalmente difettoso.

Questo è il meccanismo finale della trappola: non è solo che la biomimetica ha portato nella direzione sbagliata. È che una volta che ci si è impegnati in quella direzione - intellettualmente, finanziariamente, organizzativamente - è quasi impossibile cambiare rotta.

I sopravvissuti, le aziende che ancora oggi lavorano sulla seta di ragno, hanno per lo più abbandonato la biomimetica pura. Sono passate a quella che si potrebbe definire bioispirazione: utilizzare i principi della seta di ragno (la struttura proteica, l'architettura cristallina-amorfa) riprogettando completamente il processo di produzione per la realtà industriale.

Alcuni hanno rinunciato completamente alle proteine del ragno, progettando polimeri sintetici che imitano l'architettura molecolare della seta utilizzando la chimica dei polimeri convenzionali. Nessuna fermentazione. Nessun processo biologico. Solo un'attenta progettazione molecolare che prende in prestito concetti dalla natura senza cercare di copiarne l'implementazione.

Questi approcci potrebbero funzionare. Ma non si tratta più di biomimetica. Si tratta di ingegneria dei materiali che si è ispirata alla biologia.

Cosa ci ha insegnato la seta di ragno

La storia della seta di ragno non è un fallimento della scienza. È un fallimento della strategia, un caso di studio su come seguire la natura in modo troppo letterale possa portarci sistematicamente lontano da un'innovazione valida.

La lezione non è “non guardare la natura”. La lezione è “capire per cosa è stata ottimizzata la natura prima di cercare di copiarla”.”

L'evoluzione ottimizza gli organismi per la loro nicchia ecologica. La produzione industriale ottimizza il profitto in un'economia di mercato. Si tratta di problemi di ottimizzazione completamente diversi, con vincoli completamente diversi e criteri di successo diversi.

La soluzione del ragno è perfetta per il ragno. È terribile per una fabbrica. E nessuna ingegnosità può cambiare questo disallineamento fondamentale.

La vera innovazione nella seta di ragno, se mai ci sarà, non deriverà dal copiare perfettamente il ragno. Si tratterà di capire cosa fa funzionare la seta di ragno a livello molecolare, per poi progettare un processo completamente diverso che ottenga risultati simili utilizzando metodi industriali, economia industriale e vincoli industriali.

Non biomimetica. Bioispirazione. Imparare dalla natura, non cercare di diventarlo.

Il ragno è seduto nella sua tela, una bella soluzione a un problema che in realtà non abbiamo. Volevamo copiarlo perché sembrava elegante. Abbiamo fallito perché l'eleganza in natura e la fattibilità nell'industria sono cose completamente diverse.

A volte le migliori idee della natura sono quelle che adattiamo e trasformiamo in modo irriconoscibile. E a volte - come ci insegna la seta di ragno - le migliori idee della natura dovrebbero rimanere in natura, ammirate ma non replicate, comprese ma non commercializzate.

La trappola consiste nel pensare che, poiché qualcosa funziona perfettamente in un contesto, debba funzionare anche in un altro. La natura e l'industria giocano partite completamente diverse con regole completamente diverse. Cercare di vincere il gioco industriale copiando il libro di giochi della natura è il modo in cui si spendono trent'anni e centinaia di milioni di dollari per imparare ciò che avrebbe dovuto essere ovvio fin dall'inizio.

Il miracolo non è che la seta dei ragni sia straordinaria. Il miracolo è che i ragni la fanno sembrare facile. E questa facilità, questa eleganza evolutiva, è proprio ciò che ha indotto un'intera industria a pensare che il problema fosse più semplice di quanto non fosse in realtà.

Esclusione di responsabilità di Gen AI

Alcuni contenuti di questa pagina sono stati generati e/o modificati con l'aiuto di un'intelligenza artificiale generativa.

Media

Vũ Bụi - Pexels

Andrii Lobur - Pexels

Chokniti Khongchum - Pexels

Soumyojit Sinha - Pexels

Engin Akyurt - Pexels

Sinan - Pexels

Erick Horta Reyes - Pexels

Rafael Minguet Delgado - Pexels

Jason Reid - Pexels

Riferimenti

Seta di ragno - Wikipedia
https://en.wikipedia.org/wiki/Spider_silk

Seta di ragno - PLOS ONE (2010)
https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0011234

Estensibilità della seta di ragno - Università del Tennessee
https://lgross.utk.edu/LGrossTIEMwebsite/home/gross/public_html/bioed/bealsmodules/spider.html

Capre BioSteel - The Globe and Mail (2000)
https://www.theglobeandmail.com/report-on-business/nexias-transgenic-spider-goat-to-produce-milk-of-steel/article1035969/

L'evoluzione della seta di ragno - Scienza Oggi
https://www.sciencenewstoday.org/how-spiders-weave-webs-stronger-than-steel

Kevlar - Wikipedia
https://en.wikipedia.org/wiki/Kevlar

Tenacità della fibra di kevlar - ScienceDirect (2021)
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359836821005011

Ragno della corteccia di Darwin - Wikipedia
https://en.wikipedia.org/wiki/Darwin’s_bark_spider

Costi della seta di ragno sintetica - KraigLabs
https://www.kraiglabs.com/comparison/

Analisi tecno-economica della seta di ragno sintetica - Atti AIChE (2024)
https://proceedings.aiche.org/conferences/aiche-annual-meeting/2024/proceeding/paper/161b-techno-economic-analysis-and-life-cycle-assessment-synthetic-spider-silk-production

Guida ai prezzi del nylon - Derun Nylon
https://www.derunnylon.com/News/nylon-6-and-nylon-66-price-guide-costprice-per-kg-from-china

Analisi dei costi del kevlar - MDPI Polymers
https://www.mdpi.com/2073-4360/17/16/2254

Fibra BioSteel - Wikipedia
https://en.wikipedia.org/wiki/BioSteel_(fiber)

Produzione globale di fibre di poliammide - Statista
https://www.statista.com/statistics/649908/polyamide-fiber-production-worldwide/

Prospettive dell'industria globale delle fibre aramidiche - Doshine Material
https://www.doshinematerial.com/news/outlook-of-the-global-aramid-fiber-industry-84086734.html