Ученые во главе с исследователями из Центра исследований устойчивых ресурсов RIKEN (CSRS) изучили растворимый предшественник шелка паука и обнаружили, что ранее неизвестный структурный элемент является ключом к тому, как белки формируются в бета-лист. форма, придающая шелку исключительную прочность.
Шелк паука известен своей исключительной прочностью и гибкостью. Он в несколько раз прочнее стали, но при этом намного гибче. В результате ученые всего мира прилагают усилия, чтобы попытаться разработать аналоги, которые можно было бы использовать в промышленности и медицине. Однако, хотя известно, что бета-листы в паучьем шелке являются ключом к его силе, то, как формируются листы, плохо изучено, что затрудняет создание искусственных вариантов. Одна из причин, по которой трудно понять механизм, заключается в том, что шелк изначально создается в виде растворимых белков, которые очень быстро кристаллизуются в твердую форму, и было очень трудно проанализировать растворимую форму..
Чтобы выяснить это, исследователи CSRS создали белки шелка, используя генетически модифицированные бактерии, которые могут производить шелк из золотого паука-кругопряда (Nephila clavipes), а затем провели сложный анализ растворимых белков. Особое внимание они уделяли повторяющимся элементам, заключенным между двумя хорошо охарактеризованными конечными элементами. Они обнаружили, что повторяющийся домен состоит из двух паттернов - случайных спиралей и паттерна, называемого полипролиновой спиралью II типа. Оказывается, второй тип имеет решающее значение для образования прочного шелка.
По сути, их исследования показали, что спираль полипролина типа II может образовывать жесткую структуру, которая затем может очень быстро трансформироваться в бета-листы, что позволяет быстро ткать шелк. Интересно, что pH, который считается важным для молекулярных взаимодействий N- и C-концевых доменов, не играет важной роли в сворачивании повторяющихся доменов, а скорее удаляет вода и механические силы, когда прекурсор движется через шелковую железу.
По словам Нур Алии Октавиани, первого автора исследования, «нам посчастливилось использовать комбинацию мощных методов, включая спектроскопию ядерного магнитного резонанса в растворенном состоянии, спектроскопию кругового дихроизма в далеком УФ и спектроскопия колебательного кругового дихроизма, чтобы проанализировать белок до того, как он сформировался в бета-листы Было очень приятно обнаружить эту особую конформацию, которая приводит к образованию бета-листов."
По словам Кейджи Нумата, руководителя проекта JST ImPACT и возглавлявшего исследовательскую группу, «Паутина - прекрасный материал, поскольку он чрезвычайно прочен, но не содержит вредных веществ и легко поддается биологическому разложению, поэтому он не оказывает вредной нагрузки на окружающую среду. Мы надеемся, что это открытие поможет создать искусственный шелк, который окажется полезным для общества."