Дійсно, павукам треба позаздрити. Уявіть собі, що ви можете виготовляти шовк, як це роблять вони, кидаючи його з місця на місце, завжди маючи міцний, як сталь, страхувальний шнур або крутячи зручний гамак, коли їм потрібно відпочити.
Завдяки дивовижним властивостям павутинного шовку не дивно, що вчені десятиліттями намагалися розгадати його секрети.
Якби ми змогли зрозуміти та відтворити процес прядіння, ми могли б виробляти штучний павутинний шовк для цілого ряду медичних застосувань . Наприклад, штучний шовк може допомогти регенерувати нерви, які з’єднують наш мозок і кінцівки , і може транспортувати молекули ліків безпосередньо в клітини, де вони потрібні .
Шовк павука складається з білків, які називаються спідроїнами , які павук зберігає в шовковій залозі на черевці. Для прядіння різних сортів шовку існує кілька видів спидроїну. Павуки зберігають їх у вигляді рідини , що нагадує крапельки олії.
Але одне з питань, яке досі вислизає від вчених, полягає в тому, як павуки перетворюють ці краплі рідини на шовк.
Ми вирішили дослідити, чому спайдроїни утворюють краплі, щоб наблизитися до копіювання процесу обертання павука.
Плетіння павутини
Хитрість, за допомогою якої павуки прискорюють процес прядіння, можна використовувати для кращого прядіння штучного шовку або навіть для розробки нових процесів прядіння.
У 2017 році ми навчилися виготовляти синтетичні волокна шовку, імітуючи шовкову залозу, але ми не знали, як все працює всередині павука. Тепер ми знаємо, що формування крапель спочатку прискорює перетворення в ці волокна .
Важливий ключ до того, як краплі та волокна пов’язані, прийшов з неочікуваної області наших досліджень – хвороб Альцгеймера та Паркінсона . Білки, які беруть участь у цих захворюваннях, звані альфа-синуклеїном і тау , можуть збиратися в крихітні маслоподібні краплі в клітинах людини.
Тау – це білок, який допомагає стабілізувати внутрішній скелет нервових клітин (нейронів) у мозку. Цей внутрішній скелет має трубчасту форму, через яку поживні речовини та інші необхідні речовини потрапляють до різних частин нейрона.
При хворобі Альцгеймера аномальна форма тау накопичується і прилипає до нормальних білків тау, утворюючи «клубки тау».
Альфа-синуклеїн міститься у великих кількостях у нервових клітинах, що виробляють дофамін . Аномальні форми цього білка пов’язані з хворобою Паркінсона .
Крапельки олії будь-якого з цих білків утворюються в організмі людини, коли вони заплутуються, як варені спагетті на тарілці. Спочатку білки гнучкі та еластичні, схожі на краплі олії спидроїну.
Але якщо білки залишаються заплутаними, вони злипаються, що змінює їх форму, перетворюючи їх на жорсткі волокна. Вони можуть бути токсичними для клітин людини, наприклад, при нейродегенеративних станах, таких як хвороба Альцгеймера.
Однак спідроїни також можуть утворювати краплі . Це змусило нас задуматися, чи може той самий механізм, який викликає нейродегенерацію у людей, допомогти павуку перетворити рідкі спідроіни на жорсткі шовкові волокна.
Щоб з’ясувати це, ми використали синтетичний спідроін під назвою NT2RepCT , який можуть виробляти бактерії. Під мікроскопом ми побачили, що цей синтетичний спідроїн утворює краплі рідини, коли його розчиняють у фосфатному буфері, різновиді солі, яка міститься в шовковій залозі павука. Це дозволило нам відтворити умови прядіння шовку павука в лабораторії.
Шовкова наука
Далі ми вивчили, як діють білки спідроїну, коли вони утворюють краплі. Щоб відповісти на це запитання, ми звернулися до методу аналізу під назвою мас-спектрометрія , щоб виміряти, як змінюється вага білків, коли вони утворюють краплі.
На наш подив, ми побачили, що білки спідроїну, які зазвичай утворюють пари, натомість розщеплюються на окремі молекули.
Нам потрібно було зробити більше, щоб з’ясувати, як ці білкові краплі допомагають павукам прясти шовк. Попередні дослідження показали, що спідроїни мають різні частини, які називаються доменами, з окремими функціями.
Кінцева частина спідроїну, яка називається с-кінцевим доменом, змушує його утворювати пари. С-кінець також починає утворення волокон, коли він контактує з кислотою .
Отже, ми зробили спідроін, який містив лише с-кінцевий домен, і перевірили його здатність утворювати волокна.
Коли ми використали фосфатний буфер, щоб заплутати білки в краплі, вони миттєво перетворилися на жорстке волокно. Коли ми додавали кислоту без попереднього створення крапель, утворення волокон займало набагато більше часу.
Це має сенс, оскільки молекули спідроїну повинні знаходити одна одну при формуванні волокна. Сплутування павуків, як спагетті, допомагає їм швидко складатися в шовк.
Це відкриття говорить нам, як павук може миттєво перетворити свої павутинки на суцільну нитку. Він також виявив, як природа використовує той самий механізм, який може зробити білки мозку токсичними, щоб створити деякі з найдивовижніших структур.
Дивовижна паралель між прядінням павутинного шовку та волокнами, токсичними для людини, одного дня може дати нові підказки щодо того, як боротися з нейродегенеративними розладами.
Вчені можуть використовувати дослідження павутинного шовку, включно з тим, що ми дізналися про домени павутинного шовку, щоб запобігти злипанню людських білків – щоб вони не стали токсичними. Якщо павуки можуть навчитися тримати свої липкі білки під контролем, можливо, і ми зможемо.
