Паучий шелк

Паучий шелк – это впечатляющий материал; легкий и эластичный, однако более прочный, чем сталь. Но проблемы, с которыми пауки сталкиваются при производстве этого вещества, еще более впечатляющи. Протеины шелка, называемые спидроинами, необходимо преобразовать из растворимой формы в твердые волокна при температуре окружающей среды, с водой в качестве растворителя, и на высокой скорости. Как пауки совершают этот поразительный подвиг? В новой исследовательской публикации в журнале с открытым доступом PLOS Biology от 5 августа, Анна Райзинг и Ян Йоханссон показали, как регулируется процесс формирования шелка. Работа была выполнена в Шведском университете сельскохозяйственных наук (SLU) и Каролинском институте в сотрудничестве с коллегами из Латвии, Китая и США – пишет sciencedaily.com. Спидроины – это большие белки из почти 3500 аминокислот, содержащих в основном повторяющиеся последовательности, но наиболее важные участки для конверсии спидроинов в шелк – это концы. Концевые участки белков являются уникальными для паучьего шелка и очень похожи у различных пауков. Спидроины имеют спиральную и неупорядоченную структуру при хранении в форме растворимых белков в шелковых железах, но при преобразовании в шелк их структура полностью меняется на ту, что придает высокую степень механической прочности. Эти изменения приводятся в действие градиентом кислотности (рН), существующим между одним концом паутинной железы и другим. Железа вытянута от узкого хвоста до мешочка в тонком канале, и известно, что шелк формируется в определенном месте внутри этого канала. Однако дальнейшие детали производства паучьего шелка оставались неуловимыми. У нас вы можете купить лучшие деревянные игрушки для ваших детей по оптимальной цене! С помощью высокоселективных микроэлектродов для измерения рН в железах авторы показали, что рН падает с нейтрального рН 7,6 до кислого рН 5,7 между началом хвоста и на полпути вниз по каналу, и что градиент рН гораздо круче, чем считалось ранее. Микроэлектроды также показали, что концентрация ионов бикарбоната и давление двуокиси углерода растут вдоль железы одновременно. Взятые вместе, эти паттерны подсказывают, что градиент рН может образовываться под действием фермента, называемого карбоангидразой, который преобразует углекислый газ и воду в бикарбонат и ионы водорода (и таким образом создает кислую среду). Используя метод собственной разработки, авторы смогли выявить активную карбоангидразу в узкой части железы и подтвердить, что карбоангидраза действительно отвечает за генерацию градиента рН. Ученые также обнаружили, что рН имеет противоположное влияние на стабильность двух регионах на каждом конце белков спидроинов, что было удивительным, учитывая, что предполагалось, будто эти регионы играют подобную роль в формировании шелка. В то время как один из концов («N-терминальный домен») склонен образовывать пары с другими молекулами в начале канала и становиться все более стабильным по мере повышения кислотности вдоль канала, другой конец («С-терминальный домен») дестабилизируется с увеличением кислотности и постепенно разворачивается, пока не образует структуру, характерную для шелка, в кислом рН 5,5. Эти результаты показывают, что оба конца белка претерпевают значительные структурные изменения при рН, имеющемся в начале канала, где также расположена точка, в которой сконцентрирована активность карбоангидразы. Эти идеи привели авторов предложить новую модель формирования паутины «замок и триггер», в которой постепенное разбиение на пары N-терминальных доменов замыкает спидроины в сеть из множества белковых молекул, в то время как изменения структуры в С-терминальных доменах могут стать триггером быстрой полимеризации спидроинов в волокна. Интересно, что структура С-терминального домена похожа на устройство «амилоидных» фибрилл, найденных в мозге людей с такими заболеваниями, как болезнь Альцгеймера. Этот механизм элегантно объясняет, как шелк пауков может так быстро и легко образовываться в прядильном протоке этих удивительных животных. Помимо помощи людям в понимании того, как они могут имитировать пауков и производить биомиметические волокна спидроина для собственных целей, знание того, как пауки прядут шелк, может обеспечить понимание естественных способов воспрепятствованию формирования амилоидных фибрилл, связанных с заболеваниями вроде слабоумия. Пауки и паутина не перестают удивлять: недавно ученые выявили новый способ, которым пауки экономят ценное волокно и предложили очищать воздух при помощи паутины.