Постдокторский сотрудник UMBC Сара Стеллваген и соавтор Ребекка Ренберг из Исследовательской лаборатории армии опубликовали первые в истории полные последовательности двух генов, которые позволяют паукам производить клей - липкую, модифицированную версию паучьего шелка, которая сохраняет жертва паука застряла в его паутине. Выводы появились в Genes, Genomes, Genetics.
Инновационный метод, который они использовали, может проложить путь другим для секвенирования большего количества генов шелка и клея, которые сложно секвенировать из-за их длины и повторяющейся структуры. Лучшее понимание этих генов может приблизить ученых к следующему большому прорыву в области биоматериалов.
Липкие решения
Шелк паука - это то, из чего сделана паутина, и уже много лет он рекламируется как следующая большая вещь в биоматериалах из-за его необычной прочности на растяжение в сочетании с его гибкостью. Известно более 45 000 видов пауков, каждый из которых производит от одного до семи видов шелка. Однако, несмотря на множество частичных последовательностей, о полной генетической структуре шелка пауков известно меньше: было секвенировано только около 20 полных генов. «Двадцать десять меркнут по сравнению с тем, что там есть», - говорит Стеллваген.
Кроме того, шелк паука оказалось трудно производить в больших количествах. Пауки превращают жидкие капли шелка в твердые тонкие волокна в ходе сложного процесса внутри своего тела. Ученые могут создать жидкость, но «мы не можем воспроизвести процесс перехода от жидкого состояния к твердому в крупном промышленном масштабе», - говорит Стелваген.
Паучий клей, однако, представляет собой жидкость как внутри, так и снаружи паука. В то время как у клея «действительно есть свои проблемы», говорит Стелваген, эта разница может упростить производство клея для пауков в лаборатории, чем шелк..
Stellwagen видит большой потенциал применения паутинного клея в качестве органической борьбы с вредителями. В конце концов, говорит она, «Эта штука эволюционировала, чтобы ловить насекомых».
Например, фермеры могут распылить клей вдоль стены сарая, чтобы защитить свой скот от насекомых, которые кусают или вызывают болезни, а затем могут смыть его, не беспокоясь о загрязнении водоемов опасными пестицидами. Аналогичным образом они могли бы использовать клей для защиты урожая от вредителей. Его также можно применять в районах, где распространены болезни, переносимые комарами.«Кроме того, с ним может быть весело играть», - говорит Стелваген.
Генетический бегемот
До работы Стеллвагена и Ренберга, которая финансировалась Армейской исследовательской лабораторией, самый длинный секвенированный ген шелка составлял около 20 000 пар оснований. Когда она начала этот проект, Стеллваген рассчитывала быстро секвенировать связующие гены, а затем двигаться дальше, основываясь на том, что она узнала из этой последовательности. Вместо этого ей и Ренбергу потребовалось два года только на то, чтобы завершить последовательность.
«В итоге это был гигантский ген, который более чем в два раза больше предыдущего крупнейшего гена шелка», - говорит Стеллваген. Это был долгий и трудный путь к тому дню, когда она нашла Ренберга в лаборатории и сказала: «Я думаю, что наш ген состоит из 42 000 оснований. Думаю, мы его закончили». И, в конце концов, он рисковал передовой техникой, которая, наконец, дала полную последовательность.
Ген не только был исключительно длинным, но, как и гены паучьего шелка, он имеет много повторений одной и той же последовательности оснований - A, T, G и C - в середине. Современные методы секвенирования (называемые «секвенированием следующего поколения») работают путем создания последовательностей ДНК для всех генов организма, но нарезанных на маленькие кусочки. Затем, подобно решению головоломки, ученые должны сопоставить перекрывающиеся концы коротких участков, чтобы определить всю последовательность.
Однако, если ваш ген является повторяющимся, вам нужна единственная последовательность, или «чтение», которое простирается от области, предшествующей повторяющейся области, до конца, чтобы узнать, сколько повторений имеется. Если ваш повторяющийся раздел длинный, как в генах клея, которые изучали Стеллваген и Ренберг, шанс, что вы получите нужное чтение с помощью методов следующего поколения, невелик..
К счастью, теперь доступны методы секвенирования «третьего поколения». Секвенирование третьего поколения дает более длинные считывания, но меньшее их количество. Только повторяя эксперимент несколько раз, у вас есть шанс получить показания, необходимые для определения количества повторений и, наконец, определения всей последовательности гена.«Это сложно, - говорит Стеллваген. "Ты выбираешь иголку из стога сена."
Но это сработало. После двух лет работы на компьютере и безрезультатных результатов Стеллваген и Ренберг наконец-то получили данные, необходимые для определения всей последовательности гена.
Stellwagen уже думает о том, что будет дальше. «Теперь, когда у нас есть протокол для обнаружения полноразмерных генов шелка, как выглядят шелка других видов?» - спрашивает она.
"Я очень рад, что наконец смог разгадать головоломку, потому что это было так сложно", - говорит Стелваген. Хотя это оказалось гораздо более сложной задачей, чем она ожидала, «в конечном итоге мы многому научились, и я рада поделиться этим с тем, кто попытается разгадать какой-то нелепый ген».