Изучая молекулярную структуру паучьего шёлка, биологи выясняют, как переплетение неупорядоченных белков превращается в прочное и гибкое волокно
Мраморный крестовик (Araneus marmoreus) плетёт свою паутину, создавая одну шёлковую нить за другой.
Если паука сбивают со стены, его падение длится недолго. За считаные миллисекунды он превращает белковый «суп» в прочное альпинистское снаряжение. С помощью тонкой мерцающей шёлковой нити паук подтягивается обратно наверх.
Эта нить превосходит по трещиностойкости кевлар, синтетическое волокно, используемое в велосипедных шинах и бронежилетах, а по прочности на разрыв — сталь. Она гибкая и биосовместима с человеческим организмом. Учёные мечтают использовать паучий шёлк для создания высокоэффективных материалов для ремней безопасности, шлемов, военно‑морского оборудования и даже каркасов, помогающих восстанавливать клетки . Однако попытки получить паучий шёлк в лаборатории пока не принесли желаемых результатов, поскольку исследователи недостаточно хорошо понимают, как паук превращает «шёлковую массу», жидкую смесь белков, воды и солей, вырабатываемую его шёлковыми железами, в удивительно прочное твёрдое вещество.
По словам Грегори Холланда, химика и специалиста по спектроскопии из Университета штата Калифорния в Сан‑Диего, выяснение молекулярных механизмов, лежащих в основе этого процесса, представляет собой «настоящий святой Грааль» для данной области исследований. Недавно он возглавил исследование, в котором было описано, как молекулы жидкой шёлковой массы перегруппировываются в полужидкие капли, называемые конденсатами, прежде чем превратиться в твёрдое шёлковое волокно. Полученные результаты позволяют заглянуть внутрь паучьей шёлковой фабрики на атомном уровне.
Эти открытия также служат практическим руководством по формированию конденсатов, которые природа неоднократно использовала для организации молекул в генетических процессах и создания удивительно прочных биологических материалов.
«Становится ясно, что [конденсаты] представляют собой распространённую стратегию, используемую самыми разными организмами», — сказал Мэтью Харрингтон, специалист по биологическим материалам из Университета Макгилла, не участвовавший в исследовании. Выясняя, как природа использует конденсаты, учёные надеются воспроизвести некоторые из самых прочных материалов, которые она создаёт.
Шёлковая фабрика
Пауки представляют собой невероятные природные фабрики. Они способны производить до семи типов шёлка, причём один и тот же паук зачастую может вырабатывать несколько из них. Ациниформный шёлк используется для обматывания насекомых, оставленных на будущий перекус. Эластичный флагеллиформный шёлк укрепляет ловчую спираль паутины, позволяя ей поглощать удары. Каркасный шёлк закрепляет паутину и самих пауков на стенах. Каждый тип шёлка обладает различными свойствами, зависящими от вида паука и от того, как организованы составляющие его молекулы. Даже шёлк одного и того же типа может немного различаться по свойствам у разных видов.
В 1907 году учёные обнаружили, что паучий шёлк состоит из длинных белков с модульной структурой, которые позднее получили название спидроинов. Они относятся к той же группе волокнистых белков, что коллаген и кератин. Более чем полвека спустя рентгеновские исследования начали раскрывать внутреннюю структуру волокна. Оказалось, что шёлк состоит из плоских белковых слоёв, известных как бета‑складчатые слои, погружённых в менее упорядоченную некристаллическую матрицу.
В начале 2000-х годов, исследуя спидроины в растворе, учёные не обнаружили организованных, устойчивых структур, характерных для большинства белков. Вместо этого оказалось, что спидроины содержат внутренне неупорядоченные участки, которые постоянно движутся, принимая различные формы и вновь изменяя их. Тогда исследователи начали разбираться, каким образом этот суп из неупорядоченных белков может организовываться в прочные твёрдые волокна.
Одна из ранних теорий предполагала, что белки в шёлковой массе начинают выстраиваться относительно друг друга, подобно молекулам в кристалле, но при этом сохраняют подвижность, находясь в переходном состоянии, известном как «жидкий кристалл». Согласно другой гипотезе, паучий шёлк формируется подобно шёлку тутового шелкопряда: белки организуются в мицеллы, небольшие сферические структуры, которые затем уплотняются, превращаясь в шёлковое волокно.
Затем, в 2007 году, исследователи заметили, что спидроины, созданные в лаборатории, образуют сгустки, напоминающие жидкость. Вскоре подобные структуры стали повсеместно встречаться в современной биологии. В 2009 году учёные из Морской биологической лаборатории в Массачусетсе и Института Макса Планка в Германии обнаружили капли, состоящие из скоплений молекул РНК, в оплодотворённых яйцеклетках червей. Это были конденсаты, жидкие или гелеобразные пузырьки с высокой концентрацией белков, находящиеся во взвешенном состоянии в растворе. Хотя подобные структуры наблюдали уже более столетия, именно тогда конденсаты начали рассматривать как важнейший инструмент организации молекулярных процессов во всём живом мире.
Исследователи поняли, что конденсаты концентрируют молекулы, предварительно организуя их в гибкой микросреде, но не фиксируя жёстко, как в твёрдом веществе. «Поскольку они жидкие, они податливы, — сказал Харрингтон, — поэтому вы [то есть биологическая система] можете придать им практически любую нужную форму».
На ускоренной видеозаписи видно, как обыкновенный крестовик (Araneus diadematus) плетёт свою паутину.
Дальнейшие исследования показали, что живые клетки повсеместно используют конденсаты для организации ДНК, регулирования экспрессии генов и упаковки белков. На макроскопическом уровне они помогают различным видам создавать необычные материалы. Благодаря им формируются клювы кальмаров с постепенным изменением жёсткости отдельных участков. Они участвуют в образовании прочных клеящих веществ, позволяющих мидиям прикрепляться к камням, а также морского цемента, который многощетинковые черви‑пескожилы используют для строительства защитных трубок.
«Это очень активно развивающаяся область биологии», — сказал Холланд.
Хотя исследователи описали образование сгустков, похожих на конденсаты, в лабораторных спидроинах более десяти лет назад, их не рассматривали именно как конденсаты до 2020 года. Тогда Кейдзи Нумата, химик, специализирующийся на биоматериалах, из Киотского университета предположил, что паучий шёлк проходит через стадию конденсата при переходе от жидкой массы к твёрдой нити.
Конденсаты образуются в результате «жидкостно‑жидкостного фазового разделения», процесса, при котором молекулы в жидкости под действием определённого фактора, например изменения кислотности, химического состава или температуры, начинают слабо взаимодействовать друг с другом, легко образуя и разрывая связи. Нумата предположил, что фосфат в ампуле, средней части шёлковых желёз паука, может запускать эти взаимодействия. Однако никто не описал атомные механизмы, определяющие их формирование, пока Ханна Джонсон, в то время аспирантка лаборатории Холланда, не решила заняться этим вопросом.
Внутри чёрной вдовы
Каждые несколько месяцев на протяжении 2023 и 2024 годов на химический факультет Университета штата Калифорния в Сан‑Диего доставляли посылку с самками пауков чёрной вдовы. Эти паукообразные, угольно‑чёрные с красными отметинами, вырабатывают сильный яд, воздействие которого может быть болезненным для человека. Если не считать этого небольшого неудобства, они прекрасно подходят для изучения паучьего шёлка. Белки‑спидроины их каркасного шёлка относятся к наиболее подробно охарактеризованным среди всех пауков. Кроме того, чёрные вдовы доступны круглый год, в отличие от некоторых видов, плетущих паутину только в определённые сезоны.
Шесть раз на протяжении двух недель Джонсон надевала по две пары защитных перчаток. В течение часа она вместе с несколькими студентами собирала шёлк чёрных вдов, предварительно усыплённых углекислым газом. С помощью пинцета учёные осторожно вытягивали шёлковую нить из паутинных бородавок паука, расположенных на брюшке органов, через которые выходят волокна, а затем наматывали её на пробирку, вращаемую электродвигателем.
«Пауки, которые дают огромное количество шёлка, наши любимцы, — сказала Джонсон. — Но я питаю особую слабость к бунтарям, которые не хотят сотрудничать». На протяжении всего процесса исследователи кормили чёрных вдов коктейлем из аминокислот (по словам Джонсон, чем‑то вроде «протеиновых коктейлей»), обогащённых определёнными изотопами, которые можно было обнаружить в лаборатории.
Спектроскопия ядерного магнитного резонанса позволяет определять структуру молекул. При этом методе используются радиочастотные импульсы, воздействующие на ядра атомов, которые затем реагируют характерным для соответствующего типа атомов образом. Джонсон применила спектроскопию ядерного магнитного резонанса для исследования жидкой паучьей шёлковой массы, а также конденсатов, полученных из ампул пауков. Тем временем Кевин Чалек, в то время научный сотрудник лаборатории Холланда (ныне исследователь Калифорнийского университета в Лос‑Анджелесе), определял атомную структуру белков в твёрдом волокне.
«Мы пытались заполнить пробел между тем, что происходит с белком внутри паука, и тем, что происходит с ним снаружи, — сказал Чалек. — Это один и тот же белок, так почему же он может настолько сильно различаться? И что именно происходит между этими двумя состояниями?»
Джонсон обнаружила, что после добавления фосфата к жидкой шёлковой массе для запуска процесса конденсации боковые группы двух аминокислот, аргинина и тирозина, во внутренне неупорядоченных участках белков‑спидроинов начинают слабо взаимодействовать друг с другом. Это взаимодействие вытесняет воду, организуя неупорядоченные белки в более плотный гелеобразный материал, конденсат. Взаимодействие сохранялось и в твёрдом волокне, что позволяет предположить, что эти аминокислоты служат «молекулярными липучками», которые направляют процесс организации неупорядоченных белков сначала в конденсаты, а затем в волокна.
Другие участники команды использовали AlphaFold, инструмент искусственного интеллекта для моделирования белковых структур, и программное обеспечение для моделирования молекулярной динамики, чтобы воспроизвести этот процесс вычислительными методами. Учёным известно, что прочность паучьего шёлка обеспечивается устойчивыми белковыми структурами в виде бета‑складчатых слоёв, присутствующими в готовом волокне. Моделирование показало, что эти аминокислоты располагаются непосредственно в местах изгибов бета‑складчатых слоёв, что указывает на их возможную роль в направлении спидроинов к окончательной структуре.
«Понять, как эти боковые группы взаимодействуют и как благодаря им может возникать структура, представляющая собой нечто большее, чем сумма её отдельных частей, просто замечательно», — сказал Крис Холланд, биолог из Шеффилдского университета, не участвовавший в исследовании и не состоящий в родстве с Грегори Холландом. Кроме того, исследователи использовали настоящих пауков, а не синтетический шёлк, «и это великолепно».
По словам Дайвэня Яна, биолога из Национального университета Сингапура, не участвовавшего в исследовании, полученные результаты представляют собой «прямое доказательство» того, что конденсаты могут образовываться из натурального шёлка, и это «весьма существенно».
Описание конденсатов не опровергает более ранние теории образования паучьего шёлка. Грегори Холланд, ранее продемонстрировавший наличие мицелл в натуральном паучьем шёлке, предположил, что все три структуры, мицеллы, конденсаты и жидкие кристаллы, могут представлять собой стадии одного и того же фазового перехода. Мицеллы, образующиеся в жидкой шёлковой массе, предотвращают слипание и спутывание беспорядочно расположенных белков. Белки также могут предварительно собираться в конденсаты или выстраиваться в структуры, напоминающие жидкие кристаллы, прежде чем выйти из паутинных бородавок в виде высокоупорядоченных волокон. Однако, по словам Грегори Холланда, реальный процесс, вероятно, «более динамичен и неоднороден», чем простая последовательность стадий, причём несколько типов структур могут одновременно формироваться в одной смеси.
Харрингтон согласился с этим. «Я не думаю, что эти варианты исключают друг друга, — сказал он. — На разных стадиях обработки могут происходить различные типы фазовых переходов».
Тем не менее предстоит ещё многое выяснить о том, как все эти взаимодействия объединяются в рамках природной производственной линии. Вероятно, существуют и другие важные взаимодействия между аминокислотами, которые исследователям пока не удалось подробно описать. Они также хотят найти другие факторы, запускающие процесс, помимо фосфата. «Может существовать целый ряд других факторов, вызывающих структурные изменения этих белков, — сказал Крис Холланд. — Мы ещё не знаем всех переключателей».
Фазовый переход паучьего шёлка: Внутри шёлковых желёз пауки чёрные вдовы используют химические и механические силы, чтобы собрать белки, содержащиеся в жидкой «шёлковой массе», в прочное и гибкое универсальное волокно. Эксперименты и компьютерное моделирование позволяют по‑новому взглянуть на промежуточные стадии этого фазового перехода.
Изменение кислотности: pH 7,5 → pH 6,3 → pH 5,7.
Стадии формирования шёлка: спидроин → мицеллы → конденсаты → жидкие кристаллы → волокно.
Хвост: Каркасный паучий шёлк первоначально представляет собой жидкую массу, в которой белки‑спидроины расположены хаотично. В таком виде она поступает в ампулярную железу.
Ампула: Спидроины объединяются в промежуточные структуры. Некоторые из них собираются в шарообразные образования, называемые мицеллами. Химические изменения могут вызывать образование гелеобразных конденсатов. Межмолекулярные взаимодействия способны ориентировать спидроины примерно в одном направлении, формируя жидкие кристаллы.
Прядильный проток: Среда постепенно становится более кислой. Это снижение pH в сочетании с другими химическими изменениями, удалением воды и механическими силами перестраивает межмолекулярные взаимодействия и упорядочивает расположение белков.
Паутинная трубочка: Волокно каркасного паучьего шёлка выходит через паутинную трубочку. Кристаллические слои белка‑спидроина погружены в менее упорядоченную белковую матрицу. Вместе они придают паучьему шёлку характерные прочность и гибкость.
Превосходные материалы
Полное описание сложного процесса прядения паучьего шёлка потребует огромных усилий, но результаты могут оказаться чрезвычайно ценными. Пауки производят небольшое количество пригодного к использованию шёлка по сравнению с тутовыми шелкопрядами, которых разводят ради коконов уже более 4000 лет. Для изготовления шёлковой рубашки требуются тысячи шелкопрядов, а пауков понадобилось бы около миллиона, отчасти потому, что они не производят коконов, которые можно легко перерабатывать. Есть и более практическая причина: склонность пауков к каннибализму затрудняет их содержание, поскольку каждому требуется отдельный контейнер.
Производство паучьего шёлка в лаборатории могло бы привести к появлению целого ряда новых прочных и одновременно гибких материалов. Кевлар, синтетическое волокно, в настоящее время считается нашим самым стойким материалом, однако для его производства необходима обработка при очень высоких температурах и в кислой среде. «А здесь у вас есть такой организм, как паук или мидия, — сказал Харрингтон, — который, по сути, создаёт превосходный материал в обычных условиях, в морской воде или просто на воздухе».
Люди пока не научились воспроизводить достижения этих организмов. Когда учёные синтезируют паучий шёлк в лаборатории, используя точно такую же последовательность аминокислот для создания белка‑спидроина, полученный шёлк оказывается менее прочным, чем натуральный. «Там происходит что‑то такое, что нам тоже пока не удаётся воспроизвести», — сказал Чалек. Он полагает, что дополнительную прочность должно обеспечивать нечто помимо бета‑складчатых слоёв белка: другие особенности структуры шёлка или, возможно, участки белка‑спидроина, которые часто отсутствуют в растворах для получения синтетического шёлка.
«Я думаю, когда мы действительно поймём эти принципы устройства, — сказал Крис Холланд, — мы сможем делать с шёлком гораздо больше».
Автор: SLY_G
