Как пауки прядут шёлк

Паучий шёлк — впечатляющий материал: лёгкий и эластичный, но прочнее стали. Однако задача, которую решает паук для его производства, ещё сложнее. Белки шёлка, спидроины, должны превращаться из растворимой формы в твёрдые волокна при комнатной температуре, с водой в качестве растворителя и на высокой скорости. Как паукам это удаётся? В новом исследовании, опубликованном 5 августа в открытом журнале PLOS Biology, Анна Райзинг и Ян Йоханссон показывают, как регулируется процесс формирования шёлка. Работа выполнена в Шведском университете сельскохозяйственных наук (SLU) и Каролинском институте в сотрудничестве с коллегами из Латвии, Китая и США.

Спидроины — крупные белки длиной до 3500 аминокислот, состоящие в основном из повторяющихся последовательностей. Однако ключевую роль в превращении спидроинов в шёлк играют их концевые участки. Эти терминальные области белков уникальны для паучьего шёлка и очень похожи у разных видов пауков. В растворимой форме в шёлковых железах спидроины имеют спиральную и неупорядоченную структуру, но при превращении в шёлк их структура полностью меняется на ту, что обеспечивает высокую механическую стабильность. Эти изменения запускаются градиентом кислотности (pH), существующим между разными концами паутинной железы. Железа состоит из узкого хвоста, мешочка и тонкого протока, и известно, что шёлк формируется в строго определённом месте внутри протока. Однако детали производства долгое время оставались неизвестными.

С помощью высокочувствительных микроэлектродов для измерения pH внутри желёз авторы показали, что pH падает с нейтрального значения 7,6 до кислого 5,7 между началом хвоста и серединой протока, и что градиент кислотности оказался намного круче, чем считалось ранее. Микроэлектроды также показали, что концентрация ионов бикарбоната и давление углекислого газа одновременно возрастают вдоль железы. В совокупности эти данные позволили предположить, что градиент pH может формироваться под действием фермента карбоангидразы, который превращает углекислый газ и воду в бикарбонат и ионы водорода (создавая кислую среду). Используя разработанный авторами метод, они смогли обнаружить активную карбоангидразу в узкой части железы и подтвердить, что именно она ответственна за создание градиента pH.

Авторы также обнаружили, что pH оказывает противоположное влияние на стабильность двух концевых областей спидроинов, что стало неожиданностью, поскольку предполагалось, что эти области играют схожие роли в формировании шёлка. В то время как один из концов (N-концевой домен) начинал соединяться с другими молекулами в начале протока и становился всё стабильнее по мере роста кислотности вдоль протока, другой конец (C-концевой домен) дестабилизировался с увеличением кислотности и постепенно разворачивался, пока не принимал структуру, характерную для шёлка, при кислом pH 5,5. Эти данные показывают, что оба конца белка претерпевают драматические структурные изменения при pH, характерном для начала протока, где также сконцентрирована активность карбоангидразы.

Эти открытия позволили авторам предложить новую модель формирования паучьего шёлка «замок и спусковой крючок». В ней постепенное соединение N-концевых доменов «запирает» спидроины в сеть из множества молекул белка, в то время как структурные изменения в C-концевых доменах могут «запускать» быструю полимеризацию спидроинов в волокна. Интересно, что структура C-концевого домена похожа на структуру амилоидных фибрилл, обнаруживаемых в мозге людей с такими заболеваниями, как болезнь Альцгеймера. Этот механизм элегантно объясняет, как паучий шёлк может формироваться так быстро и гладко внутри прядильного протока. Понимание этого процесса не только поможет людям имитировать пауков для производства биомиметических волокон из спидроинов, но и может дать ключ к естественным способам подавления амилоидных фибрилл, связанных с такими заболеваниями, как деменция.