Паучий шелк, материал паутины, мечта инженера-материаловеда: он может быть прочнее стали при незначительном весе, а также может быть более жестким и гибким. Шелк паука также не провоцирует иммунную систему человека. Некоторые даже ингибируют бактерии и грибки, что делает их потенциально идеальными для применения в хирургии и медицинских устройствах. Эксплуатация этих природных чудес была медленной, отчасти из-за проблем, связанных с идентификацией и характеристикой генов паучьего шелка, но исследователи из Медицинской школы Перельмана в Университете Пенсильвании добились значительного прогресса, проведя крупнейшее в истории исследование. гены паучьего шелка.
Как они сообщают сегодня в предварительной онлайн-статье в Nature Genetics, ученые из Пенсильвании и их сотрудники секвенировали полный геном золотого паука-кругопряда (Nephila clavipes), плодовитого прядильщика шелка, который, как оказалось, производит 28 разновидности протеинов шелка. В дополнение к каталогизации новых генов паучьего шелка исследователи обнаружили новые закономерности в генах, которые могут помочь объяснить уникальные свойства различных типов шелка.
"Наше исследование преподнесло так много сюрпризов: новые гены шелка, новые последовательности ДНК, которые предположительно придают прочность, жесткость, эластичность и другие свойства белкам шелка; и даже белок шелка, вырабатываемый ядовитыми железами, а не шелковые железы», - сказал старший автор Бенджамин Ф. Войт, доктор философии, доцент кафедры генетики, системной фармакологии и трансляционной терапии. «Вся эта новая информация должна значительно продвинуть наши усилия по воплощению необычных свойств этих шелков в искусственных материалах."
Несмотря на то, что паучьи шелка изучаются более 50 лет, более ранняя фундаментальная работа идентифицировала лишь сравнительно небольшое количество генов паучьего шелка. Даже недавние работы с видами с меньшим репертуаром шелка, чем у золототкача, были неполными. Чтобы найти все гены шелка, спрятанные в геноме золотого ткача-кругопряда - настоящей «лабораторной крысы» в науке о шелке паука, - потребовалось построение всего генома, что само по себе является сложной задачей.
В новом исследовании Войт и его коллеги начали с геркулесовой задачи секвенирования и повторной сборки генома золотого ткача-шара: задача, сравнимая с решением головоломки из нескольких миллионов кусочков, с небольшими подсказками относительно того, как эти части подходят друг к другу.
В геноме золотого ткача-кругопряда, размер которого примерно равен геному человека, исследователи идентифицировали более 14 000 вероятных генов, в том числе 28, кодирующих белки шелка пауков, известные как спидроины..
Спидроины были классифицированы на семь категорий в соответствии с последовательностями их белков и функциями; эти категории включают саблевидный шелк для обертывания добычи (и связывания партнеров для спаривания); и сверхпрочный шелк большой ампулы, на котором пауки (и Человек-паук) качаются во время работы. Однако некоторые из недавно открытых спидроинов имеют последовательности, которые не вписываются ни в одну из этих категорий, что позволяет предположить, что кодируемые белки шелка могут иметь новые функции или что существующие категории необходимо переопределить..
Обширный компьютерный анализ спидроиновых генов ткача-кругокрыла выявил около 400 коротких последовательностей, многие из которых ранее не были описаны, которые повторяются в этих генах с небольшими вариациями и в различных комбинациях. Эти повторяющиеся спидроиновые «мотивы» представляют большой интерес для биологов и инженеров, потому что они, вероятно, придают ключевые свойства паутины, такие как высокая прочность на растяжение, гибкость или липкость. Анализ также выявил новые организации этих мотивов более высокого порядка в группы мотивов («кассеты») и группы групп («ансамбли»).
Команда Войта также изучила транскрипты генов из различных шелковых желез кругопрядов и в каждом случае обнаружила транскрипты, принадлежащие более чем к одному классу спидроинов, предполагая, что эти железы не являются строго специализированными для производства одного типа шелка. «Мы обнаружили, что производство шелка значительно сложнее, чем мы ожидали», - сказал Войт.
Самым большим сюрпризом стало открытие, что один из спидроинов ткача сфер - FLAG-b, новое открытие группы, - по-видимому, вырабатывается в основном в ядовитой железе ткача сфер, а не в какой-либо шелковой железе, намекая на интригующие новые функции шелка, связанные с поимкой, обездвиживанием или сохранением добычи.
В своем анализе данных генома Войт и его коллеги также идентифицировали 649 вероятных генов, которые не являются генами спидроина, но сильно экспрессируются в шелковых железах и, таким образом, вероятно, играют роль в преобразовании жидкого шелка из клеток пауков в твердый, пряденые нити - сложный процесс, который инженеры-биотехнологи только начинают реализовывать за пределами пауков.
Войт и его команда в настоящее время занимаются секвенированием генома паука-короеда Дарвина, который делает самые прочные из известных шелка и, как известно, перебрасывает ими реки.
Ученые также работают над технологией быстрого производства шелка в лаборатории, начиная с их последовательностей ДНК спидроина, чтобы лучше понять, как эти последовательности и их мотивы кодируют биологические и физические свойства шелка.
"Когда я говорю, что мы хотели бы создать в лаборатории "веб-шутер", как у Человека-паука, я полушучу", - сказал Войт.