Почему легкие шелковые нити паутинных пауков прочнее большинства других материалов? Ученые из университетов Вюрцбурга и Майнца объединились, чтобы найти ответы на этот вопрос. Им удалось показать, что природная аминокислота метионин придает пластичность белковому домену, который является составной частью шелка паука. Эта пластичность существенно увеличивает прочность связи между отдельными доменами. Свои выводы ученые опубликовали в свежем номере журнала Nature Communications.
Чудесный материал с множеством применений
Исследование возглавляет доктор Ханнес Нойвейлер, преподаватель и руководитель группы на кафедре биотехнологии и биофизики Вюрцбургского университета. Он много лет занимается изучением белков шелка пауков, точнее их молекулярных свойств. «Шелк паука - один из самых прочных материалов, встречающихся в природе. Он прочнее по весу, чем высокотехнологичные волокна, такие как кевлар или углерод», - говорит Нойвайлер. Уникальное сочетание прочности и эластичности делает его очень привлекательным для промышленности. Будь то авиация, текстильная промышленность или медицина, возможности применения этого выдающегося материала многочисленны.
Хотя синтетический паутинный шелк уже производится в промышленных масштабах и используется в различных продуктах, он еще не способен имитировать превосходные механические свойства природного чертежа. Последние выводы исследователей из Вюрцбурга могут способствовать устранению недостатков.
Недооцененная аминокислота
«Мы обнаружили, что паутинные пауки используют особую аминокислоту, называемую метионином, для прочного соединения белков шелка неизвестным ранее способом», - излагает Нойвайлер основной результат исследования. На заднем плане: Вся жизнь основана на белках. Природа использует ограниченный набор из 20 различных аминокислот для создания всех белков, которые играют решающую роль практически во всех задачах живого организма. После синтеза в виде линейных цепочек аминокислот большинство белков складываются в высокоупорядоченные трехмерные структуры.
Природные аминокислоты можно условно разделить на две группы в зависимости от свойств их боковых цепей. Так называемые гидрофобные боковые цепи имеют низкую растворимость в воде. Они часто располагаются в ядре белка и стабилизируют свернутое состояние. Гидрофильные, или водорастворимые, боковые цепи, как правило, располагаются на поверхности белка, где они отвечают за почти неограниченное разнообразие функций. Метионин относится к группе гидрофобных аминокислот. Но он редко встречается в большинстве белков. «На сегодняшний день молекулярные биологи и исследователи белков уделяют мало внимания этой аминокислоте. Считается, что в белках боковая цепь метионина не имеет большого функционального значения», - говорит Нойвейлер.
Значительное улучшение функции
Теперь это мнение может измениться. Известно, что боковая цепь метионина исключительно гибкая по сравнению с боковыми цепями других 19 природных аминокислот. Нойвейлер и его команда теперь смогли показать, что пауки используют это свойство, помещая большое количество метионина в ядро аминоконцевых доменов своих белков шелка. Здесь аминокислота передает свою гибкость всей структуре домена, что делает его пластичным.
Белки традиционно рассматриваются как твердые тела. Однако более поздние исследования подчеркивают важность динамики белков для их функции.«Подобно формируемому ключу, который адаптирует свою форму к замку, домены белков шелка меняют свою форму, чтобы плотно соединиться друг с другом», - описывает процесс Нойвейлер. Этот эффект существенно увеличивает прочность связи между концевыми доменами. Метионин в гидрофобном ядре белка делает структуру более вязкой, что может значительно улучшить функцию.
От фундаментальных исследований к прикладным наукам
Доктор. Ханнес Нойвайлер и его коллеги проводят фундаментальные исследования в своих лабораториях. «Наша работа направлена на то, чтобы внести фундаментальный вклад в понимание взаимосвязи между структурой, динамикой и функцией белков», - говорит ученый. В то же время он ожидает, что эти новые открытия будут иметь значение в области проектирования и разработки новых белков, а также в материаловедении.
Он считает, что можно включать метионин в ядро белков, как это делают паутинные пауки, чтобы улучшить их функции или даже создать новые функции. По мнению Нойвейлера, наука о материалах, скорее всего, выиграет от открытия, что метионин в белках шелка обеспечивает тесные взаимодействия в шелке пауков. Искусственно изменяя содержание метионина в белковых доменах шелка, можно контролировать механические свойства синтетического материала.
Следующие шаги
Нойвейлер и его команда планируют провести сравнительные исследования влияния метионина на белки шелка других видов пауков и шелковые железы. Более того, они хотят включить метионин в белки других организмов, чтобы модифицировать и, возможно, улучшить их функции.