SKRIVNOSTI PAJKOVE SVILE

Če pajka zbijemo s stene, ne pada dolgo. V nekaj milisekundah iz beljakovinske zmesi sprede zanesljivo plezalno vrv in se po tanki, lesketajoči se svileni niti povzpne nazaj. Nit je trpežnejša od kevlarja in močnejša od jekla. Je prožna in biološko združljiva s človeškim telesom. Strokovnjaki sanjajo, da bi iz pajkove svile nekoč izdelovali posebne materiale za varnostne pasove, čelade, uporabo v vojni mornarici in celo obnovo možganskih celic. Toda poskusi laboratorijske proizvodnje pajkove svile doslej niso bili uspešni, saj raziskovalci še vedno premalo vedo o tem, kako pajek iz »svilene raztopine« v svojih svilnih žlezah – tekoče mešanice beljakovin, vode in soli – ustvari močne niti.

Razjasnitev molekularnih mehanizmov v ozadju tega procesa je eden ključnih ciljev na tem področju, pravi Gregory Holland, kemik z Državne univerze v San Diegu. Pred kratkim je vodil raziskavo, v kateri so opisali, kako se molekule v tekoči svilni surovini prerazporedijo v poltekoče kapljice, imenovane kondenzati, preden se spremenijo v trdne svilene niti. Raziskava ponuja vpogled v pajkovo »tovarno svile« na atomski ravni.

Ugotovitve obenem prinašajo praktične napotke za nastanek kondenzatov, s katerimi narava pogosto organizira molekule pri genetskih procesih in ustvarjanju osupljivo močnih bioloških materialov. »Vse bolj jasno postaja, da je tvorjenje kondenzatov splošna strategija, ki jo uporabljajo številni različni organizmi,« pravi Matthew Harrington, raziskovalec bioloških materialov z Univerze McGill, ki pri novi raziskavi ni sodeloval.

Miniaturne tovarne svile

Pajki so neverjetne naravne tovarne. Spredejo lahko do sedem vrst svile, posamezen pajek pa jih pogosto proizvaja več. Ovijalna oziroma aciniformna svila je namenjena ovijanju žuželk, ki jih bo pajek pojedel pozneje. Lovilna oziroma flageliformna svila sestavlja spiralne niti mreže in ji pomaga blažiti udarce. Nosilna svila, v angleščini imenovana dragline, pritrjuje mrežo in pajka na predmete, denimo stene. Vsaka vrsta svile ima svoje lastnosti, povezane z molekularno zgradbo, ki se razlikujejo tudi med vrstami pajkov. Tudi ista vrsta svile ima lahko nekoliko drugačne lastnosti, če jo proizvede druga vrsta pajka.

Leta 1907 so strokovnjaki odkrili, da pajkovo nit sestavljajo dolge, modularno zgrajene beljakovine, ki so jih pozneje poimenovali spidroini. Sodijo v isto skupino vlaknastih beljakovin kot kolagen in keratin. Več kot pol stoletja pozneje so z rentgenskimi žarki začeli razkrivati osnovne strukturne značilnosti vlaken. Nit sestavljajo ploščate beljakovinske strukture, imenovane beta ploskve, ki so vgrajene v manj urejeno, nekristalinično matrico.

Ko so raziskovalci na začetku tega stoletja začeli preučevati spidroine v raztopini, niso opazili urejenih, stalnih struktur, kakršne najdemo pri večini beljakovin. Spidroini so imeli namesto tega intrinzično neurejena območja, ki so se prosto gibala, privzemala različne oblike in se nato znova preurejala. Raziskovalci so se zatem lotili »razpletanja« vprašanja, kako se lahko ta »juha« beljakovin brez določene strukture organizira v močne, odporne niti.

Po eni od zgodnjih teorij se beljakovine v zmesi medsebojno poravnajo podobno kot v kristalu, vendar ohranijo gibljivost v vmesnem stanju, znanem kot tekoči kristal. Po drugi teoriji je pajkova svila podobna svili sviloprejk, pri kateri se beljakovine organizirajo v micele, drobne kroglice, ki se nato stisnejo v svilene niti.

Takšne strukture so kmalu postale nepogrešljiv del sodobne biologije. Leta 2009 so raziskovalci Morskega biološkega laboratorija v Massachusettsu in Inštituta Max Planck v Nemčiji v oplojenih jajčecih črvov odkrili kapljice iz združenih molekul RNK. To so bili kondenzati – tekočini ali gelu podobni mehurčki, ki vsebujejo zgoščene beljakovine in lebdijo v raztopini. Čeprav jih opazujejo že več kot stoletje, so jih šele v zadnjem času začeli obravnavati kot ključno sredstvo za organizacijo molekularnih procesov v živih organizmih.

Raziskovalci so ugotovili, da kondenzati zgoščujejo molekule in jih vnaprej organizirajo v prilagodljivem mikrookolju, ne da bi jih pri tem zaklenili v trdno strukturo. »Ker so tekoči, jih je mogoče preoblikovati, zato jim lahko biološki procesi dajo praktično poljubno obliko,« pravi Harrington.

Nadaljnje raziskave so pokazale, da žive celice kondenzate uporabljajo na vsakem koraku: za organizacijo DNK, uravnavanje izražanja genov in pakiranje beljakovin. Na makroskopski ravni organizmom pomagajo graditi zanimive materiale. Sodelujejo pri oblikovanju lignjevega kljuna, katerega deli postopoma postajajo vse bolj togi. Tvorijo močna lepila, s katerimi se školjke pritrjujejo na skale, pa tudi podvodno lepilo, ki ga uporabljajo morski črvi, ki gradijo peščene strukture. »To je izjemno vznemirljivo področje biologije,« pravi Holland.

Čeprav so raziskovalci kapljice v laboratorijsko proizvedenih spidroinih opisali že več kot desetletje prej, jih do leta 2020 niso obravnavali kot kondenzate. Takrat je Keiji Numata, kemik za biomateriale z Univerze v Kjotu, predlagal, da pajkova svila med prehodom iz tekoče raztopine v trdno nit preide skozi fazo kondenzata.

Kondenzati nastanejo s tako imenovanim faznim ločevanjem tekočina–tekočina. Pri tem lahko molekule v tekočini med seboj vzpostavljajo šibke interakcije ter zlahka tvorijo in prekinjajo vezi ob dražljajih, kot so spremembe pH, kemične sestave ali temperature. Numata je domneval, da bi te interakcije lahko sprožil fosfat v ampuli, osrednjem delu pajkovih svilnih žlez. Toda mehanizmov, ki to uravnavajo na atomski ravni, ni opisal nihče, dokler se Hannah Johnson, takratna doktorska študentka v Hollandovem laboratoriju, ni odločila raziskati te uganke.

V notranjosti črne vdove

V letih 2023 in 2024 je na oddelek za kemijo Državne univerze v San Diegu vsakih nekaj mesecev prispela pošiljka samic črne vdove. Ti kot oglje črni pajki z nekaj rdeče barve proizvajajo zelo močan strup, ki lahko pri človeku povzroči hude bolečine. Če odmislimo to drobno nevšečnost, so odlični za preučevanje pajkove svile. Spidroini v njihovi nosilni svili sodijo med najtemeljiteje opisane pri vseh pajkih. Poleg tega so na voljo vse leto, v nasprotju z drugimi pajki, ki mreže pletejo le sezonsko.

Johnson in njeni sodelavci so z dvema paroma zaščitnih rokavic nabirali svilo črnih vdov, ki so jih omamili z ogljikovim dioksidom. S pinceto so svileno nit previdno izvlekli iz predilnih bradavic – odprtin na zadku, iz katerih izhajajo niti – in jo navijali na stekleničko, nameščeno na vrteči se motor.

pravi Johnson. Med postopkom so raziskovalci črne vdove hranili z aminokislinskim koktajlom, obogatenim s posebnimi izotopi.

Johnson je z jedrsko magnetno resonanco preučevala tekočo pajkovo svilo in kondenzate, zbrane iz pajkovih ampul. Kevin Chalek, ki je bil takrat podoktorski raziskovalec v Hollandovem laboratoriju, zdaj pa dela na Kalifornijski univerzi, je medtem raziskoval atomsko zgradbo beljakovin v trdni niti. »Želeli smo premostiti vrzel med vedenjem beljakovine v pajku in zunaj njega. Gre za iste beljakovine – kako so lahko tako različne? In kaj natančno se zgodi med tema stanjema?« se je spraševal Chalek.

Johnson je opazila, da so po dodatku fosfata tekoči svilni raztopini za sprožitev kondenzacije stranske skupine dveh aminokislin, arginina in tirozina, v intrinzično neurejenih območjih spidroinov začele šibko medsebojno interagirati. Ta interakcija je izrinila vodo in neurejene beljakovine organizirala v gostejšo, gelu podobno snov – kondenzat. Interakcija se je ohranila tudi v trdni niti, kar kaže, da aminokislini delujeta kot »molekularno lepilo«, ki neurejene beljakovine poveže v kondenzate in nazadnje v niti.

Drugi člani raziskovalne skupine so za računalniško simulacijo tega procesa uporabili AlphaFold, orodje umetne inteligence za modeliranje beljakovinskih struktur, in programsko opremo za molekularno dinamiko. Raziskovalci vedo, da pajkova svila svojo trdnost dolguje močnim beljakovinskim strukturam beta ploskev v končni niti.

»Čudovito je razumeti, kako te stranske skupine medsebojno delujejo in kako lahko ustvarijo strukturo, ki je več kot vsota posameznih delov,« pravi Chris Holland, biolog z Univerze v Sheffieldu, ki pri raziskavi ni sodeloval. Rezultati neposredno dokazujejo, da lahko kondenzati nastanejo tudi iz naravne svile, kar je zelo pomembno, dodaja Daiwen Yang, biolog z Nacionalne univerze v Singapurju, ki prav tako ni sodeloval pri raziskavi.

Opis kondenzatov ne izključuje pravilnosti prejšnjih teorij o nastanku pajkove svile. Gregory Holland, ki je že prej dokazal prisotnost micel v naravni pajkovi svili, meni, da bi lahko bili vsi trije elementi – micele, kondenzati in tekoči kristali – del istega faznega prehoda. Micele v tekoči raztopini preprečujejo, da bi se neurejene beljakovine zlepile v grudice in zapletle. Beljakovine se lahko predhodno združijo tudi v kondenzate ali razvrstijo v strukture, podobne tekočim kristalom, preden iz predilnih bradavic izstopijo kot izjemno urejene niti. Vendar je dejanski proces verjetno »bolj dinamičen in heterogen« kot preprosto zaporedje korakov, pravi Gregory Holland, saj lahko več teh struktur v zmesi nastaja hkrati. Harrington se s tem strinja. »Mislim, da se medsebojno ne izključujejo,« pravi. »Morda v različnih fazah obdelave potekajo različne vrste faznih prehodov.«

Zagotovo pa je treba še veliko odkriti o tem, kako se te interakcije prepletajo na tej »proizvodni liniji«. Verjetno obstajajo še druge pomembne interakcije med aminokislinami, ki jih raziskovalci še niso uspeli podrobno raziskati. Poleg fosfata iščejo tudi druge dejavnike, ki sodelujejo pri sprožitvi procesa. »K strukturnim spremembam teh beljakovin morda prispeva še več drugih dejavnikov,« je dejal Chris Holland. »Vseh stikal še ne poznamo.«

Izjemni materiali

Celovit opis zapletenega procesa predenja svile zahteva veliko truda, a koristi bi lahko bile ogromne. Pajki proizvedejo malo uporabne svile v primerjavi s sviloprejkami, ki jih zaradi njihovih kokonov gojimo že več kot 4.000 let. Za izdelavo svilene srajce potrebujemo več tisoč sviloprejk, za enako količino pajkove svile pa bi potrebovali približno milijon pajkov. Deloma zato, ker ne izdelujejo kokonov, ki bi jih lahko preprosto predelali. Obstaja še bolj praktičen razlog: pajke je zaradi njihove kanibalske narave težko gojiti, saj jih moramo ločevati.

Laboratorijska proizvodnja pajkove svile bi lahko prinesla celo vrsto novih, močnih in hkrati prožnih materialov. Proizvodnja kevlarja, sintetičnega vlakna, ki je trenutno naš najmočnejši material, zahteva zelo visoke temperature in kislo okolje. »Potem pa imamo organizem, kot sta pajek ali školjka, ki povsem običajno izdeluje izjemen material pri temperaturi okolice, v morski vodi ali preprosto na zraku,« pravi Harrington.

Strokovnjaki še niso ugotovili, kako bi te organizme posnemali. Ko v laboratoriju sintetizirajo pajkovo svilo in za izdelavo spidroina uporabijo natančno zaporedje aminokislin, nastala nit ni tako močna kot naravna. »Tam se dogaja nekaj, kar težko posnemamo,« je dejal Chalek. Po njegovem mnenju dodatne trdnosti ne zagotavlja le zgradba beta ploskev v beljakovini, temveč še nekaj drugega, kar izhaja iz drugih vidikov strukture svile. Morda gre za dele spidroina, ki jih iz sintetičnih svilnih raztopin za zdaj izpuščajo. Kot pravi Chris Holland: