Dynamikken af ​​silkeproteiner er nøglen til enestående stabilitet af edderkoppesilke som biomateriale

Edderkoppesilke består af fiberdannende proteiner, opbevaret af edderkoppen i en specialiseret kirtel. Når edderkoppen har brug for silke, for eksempel at bygge et web, det ekstruderer silkeproteinerne gennem en lang kanal, hvori de udsættes for specifikke mekaniske og kemiske påvirkninger og samles til silke. edderkoppesilkeproteiner, ligesom alle proteiner, består af 20 elementære byggesten kendt som aminosyrer. Antallet og rækkefølgen af ​​disse aminosyrer bestemmer egenskaberne af individuelle proteiner. For eksempel, hvis hydrofobe aminosyrer såsom leucin er placeret i midten af ​​et protein, resultatet er betydelig strukturel stabilitet. Du kan derfor forvente, at den ekstremt stærke edderkoppesilke indeholder meget leucin. Til deres store overraskelse, imidlertid, videnskabsmænd fra universiteterne i Mainz og Würzburg opdagede, at en anden byggesten, methionin, er meget rigeligt i nogle edderkoppesilkeproteiner.

Methionin-sidekæder er kendt for at være meget fleksible. "Det var denne overflod af methionin i edderkoppesilkeproteinet, der fik os til at se nærmere på dets dynamik, " sagde professor Ute Hellmich fra Johannes Gutenberg University Mainz (JGU). "Vores samarbejde med teamet af Dr. Hannes Neuweiler ved Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) gav os adgang til state-of-the-art biofysiske forskningsværktøjer. "

Würzburg-gruppen erstattede systematisk aminosyren methionin i edderkoppesilkeproteiner med leucin og sammenlignede foldningen, stabilitet, og dynamik af de resulterende proteinvarianter ved hjælp af foto-induceret elektronoverførselsfluorescens-korrelationsspektroskopi (PET-FCS). Dr. Hannes Neuweiler var medvirkende til udviklingen af ​​denne teknik, og hans laboratorium er førende i verden i at bruge det til at undersøge biologiske systemer. Professor Ute Hellmichs team undersøgte derefter strukturen og dynamikken af ​​de to proteinvarianter ved hjælp af højopløsningskernemagnetisk resonans (NMR) spektroskopi. "Vi udfører vores NMR-målinger ved Center for Biomolekylær Magnetisk Resonans ved Goethe-Universitetet i Frankfurt - endnu et eksempel på potentialet, der genereres af vores samarbejde i Rhine-Main University-netværket, " understregede Hellmich.

Methioninbyggesten i edderkoppesilkeproteiner giver fleksibilitet

Kombinationen af ​​PET-FCS og NMR-spektroskopi førte de to forskergrupper til den uventede konklusion, at methionin i edderkoppesilkeprotein øger fleksibiliteten af ​​proteinstrukturen, og at denne fleksibilitet netop er det, der gør det muligt for de enkelte proteiner i edderkoppesilke at interagere tæt. "Vi fandt ud af, at substituering af methionin med leucin ikke har nogen effekt på edderkoppesilkeproteinstrukturen. Faktisk, begge proteiner ser nøjagtig ens ud. På samme tid, imidlertid, det naturlige methioninholdige protein binder sig meget stærkere til andre edderkoppesilkeproteiner. Det leucinholdige protein, vi syntetiserede i laboratoriet, mister stort set denne evne til at danne sådanne stabile forbindelser, " påpegede Benedikt Goretzki, en ph.d.-kandidat i Hellmichs team og en af ​​de to hovedforfattere af undersøgelsen offentliggjort i Naturkommunikation . "Vi var virkelig overraskede, da dette viser, at det ikke kun er formen af ​​et protein, der bestemmer, hvordan det fungerer, men også, i betydelig grad, dens fleksibilitet."

"Methionin gør ikke kun proteinet mere dynamisk, det forbedrer også dets funktionalitet. Træde i kræft, det gør det muligt for to proteiner at forbindes specifikt med hinanden, hvilket ellers ville være umuligt, selvom de havde samme struktur, " præciserede Julia Heiby, ph.d.-kandidat i Neuweilers gruppe og den anden hovedforfatter til undersøgelsen.

"Form følger funktion" er en tommelfingerregel i strukturbiologien. Med andre ord, hvad et protein normalt gør, kan udledes af dets tredimensionelle struktur. "Det er imponerende, hvordan naturen også kan påvirke proteinernes funktion ved præcist at tilpasse deres dynamik, " tilføjede den Mainz-baserede biokemiker professor Ute Hellmich.

På baggrund af disse resultater, det kan nu være muligt selektivt at ændre egenskaberne af edderkoppesilkeproteiner, for eksempel, at syntetisere nye meget stabile biomaterialer. Ud over, de to grupper håber også at give generel indsigt i relevansen af ​​proteiners dynamik i forhold til deres biologiske funktioner. "Protein dynamik er vigtig i alle aspekter af livet, " konkluderede Hellmich. "Dette gælder både for edderkopper og mennesker."