Naprawdę, powinniśmy zazdrościć pająkom. Wyobraźmy sobie, że jesteśmy w stanie wytwarzać jedwab tak jak one, nadawać mu dowolny kształt, przemieszczać się z jego pomocą z miejsca na miejsce, zawsze mieć mocną jak stal linkę bezpieczeństwa lub rozłożyć wygodny hamak, gdy tylko potrzebujemy chwili odpoczynku.
Fascynujące właściwości pajęczego jedwabiu sprawiają, że nie dziwi fakt, iż naukowcy od dziesięcioleci próbują rozwikłać jego tajemnice.
Czytaj także: Śpieszmy się kochać ptaki, tak szybko znikają. Europa straciła ich już pół miliarda
Gdybyśmy mogli zrozumieć i odtworzyć proces przędzenia, moglibyśmy produkować sztuczny jedwab pajęczy dla wielu zastosowań medycznych. Na przykład, sztuczny jedwab może pomóc w regeneracji nerwów, które łączą nasz mózg i kończyny, a także przenosić cząsteczki leków bezpośrednio do komórek, w których są one potrzebne.
Jedwab pająka składa się z białek zwanych spidroinami, które owad przechowuje w gruczole jedwabnym w swoim odwłoku. Istnieje kilka rodzajów spidroiny do przędzenia różnych rodzajów jedwabiu. Pająki przechowują je w postaci płynu przypominającego kropelki oleju.
Jednak jednym z pytań, które do tej pory umykało naukowcom, jest to, w jaki sposób pająki zamieniają te płynne kropelki w jedwab. Postanowiliśmy zbadać, dlaczego spidroiny tworzą kropelki, aby przybliżyć nas do odtworzenia procesu przędzenia pajęczej sieci.
Tkanie pajęczyny
Sztuczka, której pająki używają do przyspieszenia procesu przędzenia, może zostać wykorzystana do wytwarzania lepszej jakości sztucznego jedwabiu, a nawet do opracowania nowych procesów jego produkcji.
W 2017 roku nauczyliśmy się wytwarzać syntetyczne włókna jedwabiu poprzez odtworzenie gruczołu jedwabnego, ale nie wiedzieliśmy, jak to działa we wnętrzu pająka. Teraz wiemy, że formowanie kropelek najpierw przyspiesza konwersję na te włókna.
Ważna wskazówka dotycząca powiązania kropelek i włókien pochodzi z nieoczekiwanego obszaru naszych badań – chorób Alzheimera i Parkinsona. Białka odpowiedzialne za te choroby, zwane alfa-synukleiną i tau, mogą łączyć się w maleńkie, podobne do oleju kropelki w ludzkich komórkach.
Tau jest białkiem, które pomaga stabilizować wewnętrzny szkielet komórek nerwowych (neuronów) w mózgu. Ten wewnętrzny szkielet ma kształt przypominający rurkę, przez którą przemieszczają się składniki odżywcze i inne niezbędne substancje, aby dotrzeć do różnych części neuronu.
W przypadku choroby Alzheimera nieprawidłowa forma tau gromadzi się i przylega do normalnych białek, tworząc „splątki tau”.
Alfa-synukleina występuje w dużych ilościach w komórkach nerwowych produkujących dopaminę. Nieprawidłowe formy tego białka są odpowiedzialne za chorobę Parkinsona.
Kropelki oleju jednego z tych białek tworzą się u ludzi, gdy się splączą, jak ugotowane spaghetti na talerzu. Początkowo białka są elastyczne i sprężyste, podobnie jak kropelki oleju spidroiny.
Jeśli jednak białka pozostają splątane, sklejają się ze sobą, co zmienia ich kształt i przekształca je w sztywne włókna. Mogą one być toksyczne dla ludzkich komórek – na przykład w chorobach neurodegeneracyjnych, takich jak Alzheimer.
Jednak spidroiny mogą również tworzyć kropelki. To sprawiło, że zaczęliśmy się zastanawiać, czy ten sam mechanizm, który powoduje neurodegenerację u ludzi, może pomóc pająkowi w przekształceniu płynnych spidroin w sztywne włókna jedwabiu.
Aby się tego dowiedzieć, użyliśmy syntetycznej spidroiny o nazwie NT2RepCT, która może być wytwarzana przez bakterie. Pod mikroskopem mogliśmy zobaczyć, że ta syntetyczna spidroina tworzy ciekłe kropelki, gdy jest rozpuszczona w buforze fosforanowym, rodzaju soli występującej w gruczole jedwabnym pająka. Pozwoliło nam to odtworzyć warunki przędzenia jedwabiu pajęczego w laboratorium.
Jedwabista nauka
Następnie zbadaliśmy, w jaki sposób białka spidroiny działają, gdy tworzą kropelki. Aby odpowiedzieć na to pytanie, zastosowaliśmy technikę analizy zwaną spektrometrią mas, aby zmierzyć, jak zmienia się masa białek, gdy tworzą one kropelki. Ku naszemu zaskoczeniu zauważyliśmy, że białka spidroiny, które normalnie tworzą pary, zamiast tego dzielą się na pojedyncze cząsteczki.
Musieliśmy wykonać więcej badań, aby dowiedzieć się, w jaki sposób te kropelki białka pomagają pająkom prząść jedwab. Poprzednie badania wykazały, że spidroiny mają różne części, zwane domenami, o odrębnych funkcjach.
Końcowa część spidroiny, zwana domeną c-końcową, sprawia, że tworzy ona pary. Domena c-końcowa rozpoczyna również tworzenie włókien, gdy wchodzi w kontakt z kwasem.
Stworzyliśmy więc spidroinę, która zawierała tylko domenę c-końcową i przetestowaliśmy jej zdolność do tworzenia włókien.
Kiedy użyliśmy buforu fosforanowego do splecenia białek w kropelki, natychmiast przekształciły się one w sztywne włókna. Gdy dodaliśmy kwas bez wcześniejszego tworzenia kropelek, formowanie włókien trwało znacznie dłużej.
Chcesz być na bieżąco? Subskrybuj 300Sekund, nasz codzienny newsletter!
Ma to sens, ponieważ cząsteczki spidroiny muszą znaleźć się nawzajem podczas formowania włókna. Splątanie spidroin jak spaghetti pomaga im szybko przekształcić się w jedwab.
Odkrycie to mówi nam, w jaki sposób pająk może natychmiast przekształcić swoje spidroiny w stałą nić. Odkryto również, w jaki sposób natura wykorzystuje ten sam mechanizm, który może sprawić, że białka mózgu stają się toksyczne, aby stworzyć niektóre ze swoich najbardziej niesamowitych struktur.
Zaskakujące podobieństwo między przędzeniem jedwabiu pajęczego a włóknami toksycznymi u ludzi może pewnego dnia doprowadzić do nowych wskazówek na temat walki z zaburzeniami neurodegeneracyjnymi.
Naukowcy mogą wykorzystać badania nad pajęczym jedwabiem, w tym to, czego dowiedzieliśmy się o jego domenach, aby zapobiec sklejaniu się ludzkich białek – tak, aby nie stały się toksyczne. Jeśli pająki mogą nauczyć się utrzymywać swoje lepkie białka w ryzach, być może my również możemy.
Tłumaczył: Tomasz Krzyżanowski
Tekst został opublikowany w The Conversation i zamieszczony tutaj na podstawie otwartej licencji (Creative Commons license). Przeczytaj oryginalny artykuł.
Więcej o przyrodzie i zwierzętach piszemy tutaj:
- UE chce odbudować swoją przyrodę. Chodzi także o bezpieczeństwo żywnościowe
- Śpieszmy się kochać ptaki, tak szybko znikają. Europa straciła ich już pół miliarda
- Dzik jest dziki, dzik jest zły, czyli czy obecność zwierząt w miastach jest normalna
- Sezon na kleszcza. Ekspertka: Przez globalne ocieplenie może trwać większą część roku
- Płatny urlop na opiekę nad zwierzakiem? Próby podejmowano wcześniej
- Zabawki, interaktywne gry, ubranka. W zwierzęta inwestujemy miliardy złotych