Учёные обнаружили необычно эластичный белок
Исследователи из Гейдельбергского университета обнаружили необычно эластичный белок у одной из древнейших групп животных — стрекающих (Cnidaria), возраст которых превышает 600 миллионов лет. Белок является частью «оружия» этих животных: своеобразного гарпуна, который выстреливает из их тела с чрезвычайно высокой скоростью. Открытие ранее неизвестного белка у пресноводного полипа гидра (Hydra) позволяет предположить, что молекулярный механизм эластичности мог возникнуть у стрекающих и эволюционировать для приведения в действие этого оружия. Из-за сходства аминокислотной последовательности белка с паутинным спидроином (spidroin) исследователи из Центра исследований организмов (Centre for Organismal Studies, COS) назвали эластичный белок книдоином (cnidoin). Результаты исследования опубликованы в журнале BMC Biology.
Эластомерные белки эволюционировали у самых разных животных и часто выполняют высокоспециализированные биологические функции, как эластин в лёгочных альвеолах высших позвоночных, резилин в суставах крыльев насекомых или спидроин в нитях паутины. Они придают тканям механические свойства, превосходящие свойства искусственных материалов. Эти белки, известные как эластомеры, имеют общее свойство — структурно неупорядоченные, повторяющиеся белковые последовательности, которые накапливают энергию при растяжении молекулы, а затем могут использовать её в форме движения после высвобождения. Эти движения могут быть ритмичными, как в кровеносных сосудах, выходящих из сердца, или одиночными, взрывными, как при прыжке кузнечика.
В экспериментах с пресноводным полипом гидра исследовательская группа доцента д-ра Суата Озбека и проф. д-ра Томаса Хольштайна из COS показала, что книдоин является частью стрекательного аппарата — стрекательных капсул (нематоцист). Эти органеллы помогают медузам, кораллам и актиниям захватывать добычу и отражать врагов. При прикосновении изнутри сильно сжатой капсулы в течение наносекунд гарпунообразно выбрасывается трубочка. Выстреливание стрекательной нити — один из самых быстрых процессов в животном мире. Её зазубренный кончик вводит яды, которые парализуют или убивают нападающего или добычу за секунды. «Книдоин является структурным компонентом стенки капсулы, которая эластично растягивается перед выстрелом и запуском гарпуна», — поясняет д-р Озбек.
Вместе с другими исследователями из Гейдельберга и Мюнхена учёные из COS изучили биомеханические свойства книдоина. Были проведены силовые измерения на одиночных молекулах и компьютерное моделирование. Особые свойства эластичного белка в основном ответственны за огромное ускорение «наконечника гарпуна», которое происходит во время процесса выстрела и, по словам д-ра Озбека, превышает 5 миллионов g. «Биомеханические свойства книдоина сравнимы со свойствами других эластомеров. Однако книдоин демонстрирует чрезвычайно быстрый отскок, вероятно, из-за обширного сшивания с плотной стенкой капсулы».
Исследователь отмечает, что молекулярный механизм эластичности возникал в животном мире несколько раз независимо друг от друга. «Однако с эволюционной точки зрения книдоин — самый древний из известных на сегодняшний день эластичных белков», — заявляет Суат Озбек. «Поэтому мы предполагаем, что эта эластичность возникла у стрекающих и эволюционировала как часть их "орудийной системы"».
В исследовании также участвовали проф. д-р Вольфганг Петрих из Института физики Кирхгофа Гейдельбергского университета и проф. д-р Фрауке Гретер из Гейдельбергского института теоретических исследований (HITS), а также физик д-р Мартин Бенуа из Мюнхенского университета имени Людвига-Максимилиана (LMU).