La fibroina è una proteina fibrosa che costituisce il componente principale della seta prodotta dal baco da seta (Bombyx mori), rappresentando circa il 70-80% della composizione totale del filo serico. Da un punto di vista strutturale, la fibroina del B. mori è caratterizzata da una macromolecola composta da una catena pesante (H-chain) di circa 350 kDa ed una catena leggera (L-chain) di 26 kDa, legate da un ponte disolfuro intermolecolare. La catena pesante presenta una sequenza amminoacidica altamente ripetitiva con domini cristallini costituiti principalmente da sequenze esapeptidiche del tipo (Gly-Ala-Gly-Ala-Gly-Ser)n. Tali domini si alternano a regioni amorfe più idrofiliche e meno organizzate strutturalmente, ricche in amminoacidi con catene laterali più ingombranti come tirosina, valina e acido aspartico. La struttura secondaria predominante nelle regioni cristalline è del tipo β-sheet antiparallelo, con le catene polipeptidiche organizzate in foglietti β impilati che conferiscono alla fibroina le sue caratteristiche proprietà meccaniche di resistenza alla trazione e rigidità.
Integrità strutturale
Il processo di estrazione della fibroina dai bozzoli del baco da seta richiede protocolli biochimici sofisticati per preservarne l'integrità strutturale e funzionale. La metodologia standard prevede una fase preliminare di degommaggio mediante bollitura in soluzione alcalina di Na?CO? (0.02-0.5% w/v) per rimuovere la sericina, una glicoproteina idrofilica che riveste le fibre di fibroina. Successivamente, la fibroina purificata viene solubilizzata in soluzioni caotropiche concentrate come bromuro di litio (LiBr 9.3M) o miscele di cloruro di calcio, etanolo e acqua (CaCl?/C?H?OH/H?O in rapporto molare 1:2:8). Il passaggio critico è rappresentato dalla dialisi estensiva contro acqua deionizzata, che induce una transizione conformazionale da random coil a strutture β-sheet, controllabile mediante parametri quali pH, forza ionica e temperatura. L'analisi conformazionale mediante spettroscopia FTIR rivela bande caratteristiche a 1620-1630 cm?¹ (amide I) e 1510-1520 cm?¹ (amide II) indicative della struttura β-sheet, mentre la diffrattometria a raggi X evidenzia riflessioni a d=4.5Å e d=10Å corrispondenti rispettivamente alla distanza tra i foglietti β impilati e alla periodicità lungo la catena polipeptidica.
Sequenze cellulari
La fibroina estratta possiede proprietà fisico-chimiche e biologiche straordinarie che ne giustificano l'interesse crescente nelle applicazioni biomedicali avanzate. La presenza di domini idrofobici ed idrofilici alternati conferisce alla proteina un comportamento anfififico che facilita la sua processabilità in diverse morfologie come film, scaffold porosi, idrogel, microsfere e nanofibre mediante tecniche quali electrospinning, liofilizzazione, separazione di fase e auto-assemblaggio. A livello cellulare, la fibroina dimostra un'eccellente biocompatibilità derivante dalla presenza di sequenze RGD (Arg-Gly-Asp) criptiche che, esposte durante il processing, promuovono l'adesione cellulare attraverso integrine specifiche. Studi proteomici hanno evidenziato che la fibroina può modulare l'espressione di oltre 200 proteine coinvolte nella meccanotransduzione, nella regolazione del citoscheletro e nella progressione del ciclo cellulare. La degradazione enzimatica della fibroina in vivo avviene principalmente per azione di proteasi come la chimotripsina e la proteasi XIV, con cinetica controllabile mediante il grado di cristallinità della proteina: strutture altamente cristalline con elevato contenuto di β-sheet mostrano tempi di degradazione dell'ordine di 6-12 mesi, mentre conformazioni più amorfe vengono metabolizzate in 2-4 settimane.
Tecnologie e future visioni
Le più recenti tecniche di ingegnerizzazione molecolare hanno permesso di modificare geneticamente la fibroina introducendo domini funzionali specifici attraverso tecnologie di DNA ricombinante. Utilizzando sistemi di espressione eterologa in Escherichia coli o cellule di mammifero, è possibile produrre fibroine chimeriche incorporate con sequenze bioattive come domini di legame per fattori di crescita (TGF-β, BMP-2), peptidi antimicrobici (magainina, defensina) o epitopi immunomodulatori (IKVAV, YIGSR). La caratterizzazione nanostrutturale mediante microscopia a forza atomica (AFM) e microscopia elettronica a trasmissione (TEM) ha rivelato che il folding e l'assemblaggio supramolecolare di queste fibroine ricombinanti segue cinetiche non lineari dipendenti dalla concentrazione, con formazione di strutture intermedie metastabili caratterizzate da domini sferici di 20-50 nm che progressivamente si aggregano in fibrille di diametro compreso tra 10-30 nm e lunghezza micrometrica. Analisi reologiche dimostrano che le soluzioni di fibroina presentano un comportamento viscoelastico non newtoniano con shear-thinning pronunciato a concentrazioni superiori al 2% w/v, e una transizione sol-gel termosensibile nel range 37-45°C correlata alla formazione di legami idrogeno intermolecolari e interazioni idrofobiche che stabilizzano la rete tridimensionale proteica.
