Ако съборите паяк от стената, той няма да пада дълго. За милисекунди животното изплита от белтъчна смес надеждно въже за катерене и се издърпва нагоре по тънката, блестяща копринена нишка. Тя е по-издръжлива от кевлара и по-здрава от стоманата. Еластична е и е биосъвместима с човешкото тяло. Учените мечтаят един ден да произвеждат от паяжинна коприна специални материали за предпазни колани, каски, военноморски приложения и дори за възстановяване на мозъчни клетки. Досегашните опити за лабораторно производство на паяжина обаче се провалят, защото изследователите не знаят достатъчно за начина, по който паякът превръща „копринения разтвор“ в жлезите си — течна смес от белтъци, вода и сол — в здрави нишки.
Разкриването на молекулярните механизми зад този процес е ключова цел в областта, казва Грегъри Холанд, химик от Държавния университет в Сан Диего. Неотдавна той ръководи изследване, което описва как молекулите на течната суровина за коприната се прегрупират в полутечни капчици, наречени кондензати, преди да се превърнат в твърди копринени нишки. Изследването разкрива „копринената фабрика“ на паяците на атомно ниво.
Резултатите дават и практически насоки за образуването на кондензати, които природата многократно използва, за да организира молекулите при генетични процеси и при създаването на удивително здрави биологични материали. „Все по-ясно става, че образуването на кондензати е обща стратегия, използвана от множество различни организми“, казва Матю Харингтън, изследовател на биологични материали в университета „Макгил“, който не участва в новото проучване.
Като изследват как се използват естествените кондензати, учените се надяват да успеят да възпроизведат най-издръжливите материали в природата.
Миниатюрни копринени фабрики
Паяците са невероятни природни фабрики. Те могат да произвеждат до седем вида коприна, а отделният паяк често произвежда няколко от тях. Коприната от гроздовидните жлези (aciniform) служи за увиване на насекоми, които ще бъдат изядени по-късно. Коприната от камшичестите жлези (flagelliform) образува спиралните нишки на паяжината и ѝ помага да поема по-добре ударите. Носещата коприна (dragline) закрепва мрежата и самите паяци към обекти като стени. Всеки вид коприна има различни свойства в зависимост от вида на паяка, а тези свойства са свързани с устройството на молекулите. Дори коприните от един и същ тип могат да имат леко различаващи се характеристики, когато са произведени от различни видове паяци.
През 1907 г. учените откриват, че паяжинната нишка е изградена от дълги белтъци с модулна структура. По-късно те получават името спидроини и принадлежат към същата група влакнести белтъци като колагена и кератина. Повече от половин век след това рентгеновите изследвания започват да разкриват основните структурни особености на влакната. Нишката е изградена от плоски белтъчни структури, наречени бета-листове, вградени в по-слабо подредена, некристална матрица.
В началото на 2000-те години, когато изследователите започват да изучават спидроините в разтвор, те не откриват подредените, устойчиви структури, характерни за повечето белтъци. Вместо това спидроините имат вътрешно неподредени участъци, които непрестанно се движат, приемат различни форми и се пренареждат. Тогава учените започват да „разплитат“ загадката как тази „супа“ от неструктурирани белтъци може да се организира в здрави, издръжливи нишки.
Според една от ранните теории белтъците в сместа се подреждат един спрямо друг като в кристал, но запазват подвижността си в междинно състояние, известно като течен кристал. Друга теория предполага, че паяжинната коприна прилича на коприната на копринената буба: белтъците се организират в мицели, тоест малки сферични образувания, които след това се уплътняват в копринени нишки.
През 2007 г. изследователите забелязват, че лабораторно произведените спидроини образуват капчици с поведение на течност.
Скоро подобни структури се превръщат в неизменна част от съвременната биология. През 2009 г. изследователи от Морската биологична лаборатория в Масачузетс и института „Макс Планк“ в Германия откриват в оплодени яйца на червеи капчици, съставени от струпани молекули РНК. Това са кондензати — течни или гелообразни образувания, които съдържат концентрирани белтъци и се носят в разтвор. Макар да са наблюдавани повече от век, едва напоследък кондензатите започват да се разглеждат като ключов механизъм за организиране на молекулярните процеси в живите организми.
Изследователите установяват, че кондензатите концентрират молекулите, като предварително ги организират в гъвкава микросреда, без да ги фиксират в твърдо вещество. „Тъй като са течни, те могат да се деформират и биологичните системи на практика могат да им придадат всякаква форма“, казва Харингтън.
Последващи изследвания показват, че живите клетки използват кондензати повсеместно: за организиране на ДНК, за регулиране на генната експресия и за опаковане на белтъци. На макроскопично ниво те помагат на различни видове да създават интересни материали. Участват в изграждането на човката на калмарите, чиито части постепенно стават все по-твърди. Образуват здрави лепила, с които мидите се закрепват към скалите, както и подводното лепило, използвано от червеите, строящи пясъчни замъци. „Това е изключително вълнуваща област в биологията“, казва Холанд.
Макар учените да са описали капчиците в лабораторно произведени спидроини повече от десетилетие по-рано, те не ги разглеждат като кондензати до 2020 г. Тогава Кейджи Нумата, химик, специалист по биоматериали от университета в Киото, предполага, че при превръщането си от течен разтвор в твърда нишка паяжинната коприна преминава през кондензатна фаза.
Кондензатите се образуват чрез т.нар. „течно-течно фазово разделяне“. При него молекулите в течността могат да влизат в слаби взаимодействия помежду си, като лесно образуват и разкъсват връзки в отговор на промени в pH, химичния състав или температурата. Нумата предполага, че фосфатът в ампулата — средната част на копринените жлези на паяка — може да задейства тези взаимодействия. Никой обаче не е описал механизмите, които ги управляват на атомно ниво, докато Хана Джонсън, по това време докторантка в лабораторията на Холанд, не решава да разгадае загадката.
В тялото на черната вдовица
През 2023 и 2024 г. на всеки няколко месеца в катедрата по химия на Държавния университет в Сан Диего пристига пратка с женски черни вдовици. Тези паяци — катраненочерни животни с малко червено по тялото — произвеждат силна отрова, която може да причини много болезнена реакция при хората. Ако оставим настрана това дребно неудобство, те са отлични обекти за изследване на паяжините. Спидроините в носещата им коприна са сред най-подробно изучените при всички паяци. Освен това са достъпни целогодишно, за разлика от други паяци, които плетат мрежи само през определени сезони.
С два чифта предпазни ръкавици Джонсън и колегите ѝ събират коприна от черни вдовици, упоени с въглероден диоксид. С пинсети внимателно изтеглят нишката от предилните органи на паяка — отворите в коремната област, откъдето излизат нишките — и я навиват върху флакон, монтиран на въртящ се мотор.
„Любимите ни паяци са онези, които дават много коприна, но аз имам слабост към бунтарите, които не искат да съдействат“
— казва Джонсън. По време на процеса изследователите хранят черните вдовици с коктейл от аминокиселини, обогатен със специални изотопи.
Джонсън използва ядрено-магнитен резонанс, за да изследва течната паяжинна коприна и кондензатите, събрани от ампулите на паяците. Междувременно Кевин Чалек, тогава постдокторант в лабораторията на Холанд, а днес изследовател в Калифорнийския университет, определя атомната структура на белтъците в твърдата нишка. „Искахме да свържем поведението на белтъка вътре в паяка с това извън него. Става дума за едни и същи белтъци — как могат да бъдат толкова различни? И какво точно се случва между двете състояния?“, пита Чалек.
Джонсън забелязва, че след като добавя фосфат към течния копринен разтвор, за да задейства кондензацията, страничните групи на две аминокиселини — аргинин и тирозин — във вътрешно неподредените участъци на спидроините започват да взаимодействат слабо помежду си. Това взаимодействие изтласква водата и организира неподредените белтъци в по-плътно, гелообразно вещество — кондензат. Взаимодействието се запазва и в твърдата нишка, което подсказва, че аминокиселините служат като „молекулярно лепило“, което обединява неподредените белтъци в кондензати, а накрая и в нишки.
Останалите членове на изследователската група използват AlphaFold — инструмент с изкуствен интелект за моделиране на белтъчни структури — и софтуер за молекулярна динамика, за да възпроизведат процеса чрез компютърни симулации. Учените знаят, че здравината на паяжината се дължи на устойчивите белтъчни структури тип бета-лист в крайната нишка.
Симулациите показват, че споменатите аминокиселини се подреждат точно по извивките на бета-листовете, което подсказва, че помагат на спидроините да придобият окончателната си структура.
„Фантастично е да разберем как тези странични групи взаимодействат и как могат да изградят структура, която е повече от сбора на отделните си части“, казва Крис Холанд, биолог от университета в Шефилд, който не участва в изследването. Резултатите дават пряко доказателство, че кондензати могат да се образуват и от естествена коприна, което е много важно, добавя Дайуън Ян, биолог от Националния университет на Сингапур, който също не участва в проучването.
Описването на кондензатите не изключва верността на по-ранните теории за образуването на паяжината. Грегъри Холанд, който преди е доказал наличието на мицели в естествената паяжинна коприна, смята, че и трите структури — мицелите, кондензатите и течните кристали — може да са част от един и същ фазов преход. Мицелите, които се образуват в течния разтвор, пречат на неподредените белтъци да се слепват и заплитат. Белтъците могат предварително да се събират и в кондензати или да се подреждат в структури, подобни на течни кристали, преди да излязат от предилните органи като силно подредени нишки. Действителният процес обаче вероятно е „по-динамичен и по-нееднороден“ от поредица последователни стъпки, казва Грегъри Холанд, тъй като няколко от тези структури могат да се образуват едновременно в сместа. Харингтън е съгласен. „Не мисля, че се изключват взаимно“, казва той. „Възможно е на различни етапи от обработката да протичат различни видове фазови преходи.“
Със сигурност обаче остава още много за изясняване относно съвместното действие на тези взаимодействия по „производствената линия“. Вероятно има и други важни взаимодействия между аминокиселините, които изследователите все още не са успели да проучат подробно. Те търсят и други фактори освен фосфата, които задействат процеса. „Възможно е още няколко фактора да допринасят за структурните промени в тези белтъци“, казва Крис Холанд. „Все още не познаваме всички превключватели.“
Материали с изключителни качества
Пълното описание на сложния процес на изплитане на коприната изисква големи усилия, но ползата може да бъде огромна. Паяците произвеждат малки количества използваема коприна в сравнение с копринените буби, които се отглеждат заради пашкулите си от повече от 4000 години. За изработването на една копринена риза са нужни няколко хиляди копринени буби, докато за същото биха били необходими около 1 милион паяци. Отчасти причината е, че паяците не произвеждат пашкули, които лесно да обработваме. Има и по-практична пречка: заради канибализма си те се отглеждат трудно, тъй като трябва да бъдат държани отделно.
Лабораторното производство на паяжинна коприна би могло да доведе до цяла гама нови, здрави и същевременно еластични материали. Производството на кевлар — синтетично влакно, което в момента е най-здравият ни материал — изисква много високи температури и киселинна среда. „А ето организъм като паяка или мидата съвсем естествено произвежда отличен материал при температурата на околната среда, в морската вода или просто на въздух“, казва Харингтън.
Учените все още не са разбрали как да имитират тези организми. Когато синтезират паяжинна коприна в лаборатория, използвайки точната аминокиселинна последователност за изграждане на спидроина, получената нишка не е толкова здрава, колкото естествената. „Там се случва нещо, което ни е трудно да възпроизведем“, казва Чалек. Според него допълнителната здравина се осигурява и от нещо отвъд бета-листовата структура на белтъка. То може да произтича от други особености на структурата на коприната или от части на спидроина, които засега се пропускат в синтетичните копринени разтвори. Както казва Крис Холанд:
„Когато наистина разберем тези рецепти, ще можем да извлечем още повече от коприната.“
