Открыт механизм, по которому белковая жидкость, находящаяся в железе паука, за короткое время превращается в упругое и прочное волокно, каковым является паутина.
Паутина давно вызывает интерес ученых, так как она в пять раз прочнее стальной нити и в три раза прочнее самых лучших созданных к настоящему времени синтетических волокон. Если бы пауки плели паутину толщиной порядка миллиметра, то на ней вполне можно было бы удерживать на весу человека. Но до сих пор ученым было далеко до создания искусственной паутины. И одной из загадок является тот факт, что длинные прочные нити образуются за доли секунды из белковой жидкости — секрета паутинных желез.
«Высокая упругость и прочность при растяжении натуральной паутины не имеют себе равных, хотя волокна производятся пауками из чистого белка», — говорит профессор Хорст Кесслер из Института передовых исследований в Мюнхене. Один из ключевых вопросов в искусственном производстве стабильных волокон паутины —
как паукам удается поддерживать высокую концентрацию секрета в шелковых железах, причем так, что волокна высокой прочности могут быть сделаны из него в любой момент.
Ответ на этот вопрос удалось найти группе немецких ученых во главе с Хорстом Кесслером. Результаты работы опубликованы в статье в журнале Nature.
Паутина состоит из белковых молекул; каждая из них представляет собой длинную цепочку, состоящую из тысяч звеньев аминокислот. Рентгеноструктурный анализ показывает, что готовое волокно паутины содержит области, в которых несколько белковых цепочек связаны друг с другом с помощью стабильных химических связей. Эти соединения обеспечивают высокую прочность паутины. Находящиеся между этими соединениями несвязанные области обеспечивают паутине высокую упругость.
Но вот в паутинных железах, когда соответствующий секрет еще находится в жидком состоянии, наблюдаются иные внутренние конфигурации.
Белки паутины в высокой концентрации содержатся в водной среде в ожидании развертывания в виде волокна. При этом области, отвечающие за соединения, не могут находиться близко друг к другу, потому что тогда они мгновенно застынут в волокна.
Из-за особенностей агрегатного состояния к изучению белковой жидкости паутины неприменим метод рентгеноструктурного анализа (он подходит только для веществ в форме кристаллов), однако жидкость можно эффективно исследовать методом ЯМР-спектроскопии (ЯМР — ядерный магнитный резонанс).
В результате анализа полученных спектров ЯМР ученым удалось понять структуру управления элементами, отвечающими за формирование стабильных волокон паутины.
Оказывается, в железе паука создаётся такая среда, что отвечающие за взаимосвязь участки белковых молекул в ней не могут выстроиться нужным для связи образом. Таким образом их взаимодействие и создание паутины эффективно предотвращаются. При этом белковые цепи хранятся так, что их гидрофобные части находятся внутри «клубка», что обеспечивает им хорошую растворимость в водной среде.
Когда белковые структуры поступают в прядильный аппарат паука, они попадают в среду, отличную по концентрации и составу солей от среды внутри железы, и это заставляет клубок белков разворачиваться. <4>Кроме того, за счет малой ширины канала прядильного аппарата паука области, отвечающие за соединения, выстраиваются параллельно, что делает волокно стабильным.
Данный механизм авторы работы называют «молекулярным переключателем», располагающимся на C-конце белковой молекулы (концы белка называют С- и N- концами в зависимости от того, какая из групп концевой аминокислоты свободна, α-карбоксильная группа -СООН или α-аминогруппа -NH2).
По результатам своих исследований ученые предложили технику получения качественных искусственных волокон большой прочности и упругости.
Авторы видят ряд применений этой технике, начиная от материала для швов во время хирургических операций и заканчивая техническим волокном в автомобильной промышленности.
Цивилизация
