Учёные пролили свет на генетику, лежащую в основе загадочных свойств паучьего шёлка

Паучий шёлк — это мечта инженера-материаловеда: он может быть прочнее стали при гораздо меньшем весе, а также быть более жёстким и гибким. Он также, как правило, не провоцирует иммунную систему человека. Некоторые его виды даже подавляют бактерии и грибки, что делает их потенциально идеальными для хирургии и медицинских устройств. Использование этих природных чудес шло медленно, отчасти из-за сложностей идентификации и характеристики генов паучьего шёлка. Однако исследователи из Медицинской школы Перельмана Пенсильванского университета совершили крупный прорыв, проведя крупнейшее в истории исследование этих генов.

Как сообщается в онлайн-публикации в журнале Nature Genetics, учёные из Пенна и их коллабораторы секвенировали полный геном паука-кругопряда Nephila clavipes (золотой паук-кругопряд), который производит 28 разновидностей шёлковых белков. Помимо каталогизации новых генов шёлка, исследователи обнаружили новые паттерны внутри генов, которые могут объяснять уникальные свойства разных типов шёлка.

«В нашем исследовании было так много неожиданностей: новые гены шёлка, новые последовательности ДНК, предположительно придающие шёлковым белкам прочность, жёсткость, растяжимость и другие свойства; и даже шёлковый белок, производимый в ядовитых железах, а не в паутинных», — сказал старший автор Бенджамин Ф. Войт, PhD.

Несмотря на то, что паучий шёлк изучается более 50 лет, более ранние фундаментальные работы выявили лишь сравнительно небольшое количество его генов. Даже недавние работы по видам с меньшим репертуаром шёлка, чем у золотого кругопряда, были неполными. Чтобы найти все гены шёлка в геноме этого паука — фактически «лабораторной крысы» науки о паучьем шёлке — потребовалось собрать весь геном, что само по себе является сложной задачей.

В новом исследовании Войт и его коллеги начали с титанической задачи по секвенированию и сборке генома золотого кругопряда, сопоставимой с решением многомиллионного пазла. В геноме паука, который оказался примерно таким же большим, как человеческий, исследователи идентифицировали более 14 000 вероятных генов, включая 28, которые, по-видимому, кодируют белки паучьего шёлка — спидроины.

Спидроины классифицируются на семь категорий в соответствии с их белковыми последовательностями и функциями. Однако некоторые из вновь обнаруженных спидроинов имеют последовательности, которые не вписываются ни в одну из этих категорий, что предполагает новые функции или необходимость пересмотра категорий.

Обширный компьютерный анализ генов спидроинов кругопряда выявил почти 400 коротких последовательностей — многие из которых описаны впервые, — которые с небольшими вариациями и в разных комбинациях многократно повторяются в этих генах. Эти повторяющиеся «мотивы» спидроинов представляют большой интерес, поскольку, вероятно, придают шёлку ключевые свойства, такие как высокая прочность на разрыв, гибкость или липкость. Анализ также выявил новую, более высокоуровневую организацию этих мотивов в группы («кассеты») и группы групп («ансамбли»).

Команда Войта также обнаружила, что в разных паутинных железах присутствуют транскрипты, принадлежащие более чем к одному классу спидроинов, что говорит об отсутствии строгой специализации желез на производство одного типа шёлка. «Мы обнаружили значительно более сложный процесс производства шёлка, чем ожидали», — отметил Войт.

Самым большим сюрпризом стало открытие, что один из спидроинов кругопряда — FLAG-b, новый белок, обнаруженный группой, — производится в основном в ядовитой железе, а не в паутинной. Это указывает на новые интригующие функции шёлка, связанные с захватом, обездвиживанием или сохранением добычи.

В своих анализах Войт и коллеги также идентифицировали 649 вероятных генов, не являющихся генами спидроинов, но высоко экспрессирующихся в паутинных железах. Вероятно, они играют роль в преобразовании жидкого шёлка из клеток паука в твёрдые, пригодные для прядения нити — сложный процесс, который биоинженеры только начинают воспроизводить вне пауков.

Команда Войта сейчас проводит исследование по секвенированию генома паука Caerostris darwini (паук Дарвина), который производит самый прочный из известных шёлков, способный перекрывать реки. Учёные также работают над технологией быстрого производства шёлка в лаборатории, начиная с последовательностей ДНК спидроинов, чтобы лучше понять, как эти последовательности и их мотивы кодируют биологические и физические свойства шёлка.

«Когда я говорю, что мы хотели бы построить в лаборатории «паутинную пращу», как у Человека-паука, я лишь отчасти шучу», — сказал Войт.