Forskere opdager nøglemekanismen bag dannelsen af ​​edderkoppesilke

En gruppe videnskabsmænd ledet af forskere fra RIKEN Center for Sustainable Resource Science (CSRS) har undersøgt den opløselige forløber for edderkoppesilke og fundet ud af, at et tidligere uopdaget strukturelement er nøglen til, hvordan proteinerne dannes til beta-ark-konformationen, der giver silke sin exceptionelle styrke.

Edderkoppesilke er kendt for sin exceptionelle sejhed og fleksibilitet. Det er flere gange stærkere end stål, og alligevel er meget mere fleksibel. Som resultat, videnskabsmænd verden over forsøger at udvikle analoger, der kan bruges i industrielle og medicinske applikationer. Imidlertid, selvom det er kendt, at beta-ark i edderkoppesilke er nøglen til dets styrke, hvordan arkene er dannet er dårligt forstået, gør det svært at skabe kunstige varianter. En del af grunden til, at det er svært at forstå mekanismen, er, at silken oprindeligt er skabt som opløselige proteiner, som meget hurtigt krystalliserer til en fast form, og det har været meget vanskeligt at analysere den opløselige form.

For at belyse dette, CSRS-forskerne genererede silkeproteiner ved hjælp af genetisk modificerede bakterier, der kan producere silke fra en gylden kuglespind (Nephila clavipes), og udførte derefter komplekse analyser af de opløselige proteiner. De så især på de gentagende elementer, der er indesluttet mellem to terminalelementer, der er blevet godt karakteriseret. De fandt ud af, at det gentagne domæne er sammensat af to mønstre - tilfældige spoler og et mønster kaldet polyprolin type II helix. Det viser sig, at den anden type er afgørende for dannelsen af ​​stærk silke.

I det væsentlige, deres undersøgelser viste, at polyprolin type II helix kan danne en stiv struktur, som derefter kan omdannes til beta-sheets meget hurtigt, så silken hurtigt kan væves. Spændende nok, det viste sig, at pH - som menes at være vigtig for de molekylære interaktioner af de N- og C-terminale domæner - ikke spiller en vigtig del af foldningen af ​​de gentagne domæner, og at det snarere er fjernelse af vand og mekaniske kræfter, når forstadiet bevæger sig gennem silkekirtlen.

Ifølge Nur Alia Oktaviani, undersøgelsens første forfatter, "Vi var heldige at kunne bruge en kombination af kraftfulde metoder, inklusive opløsningstilstand kernemagnetisk resonansspektroskopi, fjern-UV cirkulær dikroismespektroskopi, og vibrationscirkulær dikroismespektroskopi, at analysere proteinet, før det blev til beta-sheets. Det var meget tilfredsstillende at opdage denne særlige struktur, der fører til dannelsen af ​​beta-arkene."

Ifølge Keiji Numata, som er projektleder for JST ImPACT og ledede forskningsgruppen, "Edderkoppesilke er et vidunderligt materiale, da det er ekstremt sejt, men ikke indeholder skadelige stoffer og er let biologisk nedbrydeligt, så det ikke udøver nogen skadelig belastning på miljøet. Vi håber, at denne opdagelse vil være med til at gøre det muligt at skabe kunstsilke, der vil vise sig nyttigt for samfundet."