Spinnenseide ist ein beeindruckendes Material; leicht und dehnbar noch stärker als Stahl . Aber die Herausforderung , die Spinnen konfrontiert , diesen Stoff zu produzieren ist noch gewaltig. Seidenproteine , genannt spidroins , müssen aus einer löslichen Form , um feste Fasern bei Umgebungstemperaturen als Lösungsmittel zu konvertieren , mit Wasser und mit hoher Geschwindigkeit. Wie Spinnen erreichen diese erstaunliche Kunststück ? Im neuen Forschungs Publizieren im Open-Access- Zeitschrift PLoS Biology , Anna Rising und Jan Johansson zeigen, wie die Seide Bildungsprozess geregelt wird. Die Arbeit wurde an der schwedischen Universität für Agrarwissenschaften ( SLU ) und Karolinska Institutet in Zusammenarbeit mit Kollegen in Lettland, China und den USA durchgeführt .
Spidroins sind große Proteine von bis zu 3.500 Aminosäuren , die hauptsächlich enthalten repetitive Sequenzen , aber die bedeutendsten Bits für die Umwandlung von spidroins in Seide sind die Enden . Diese Anschlussbereiche der Proteine sind einzigartig für Spinnenseide und sind sehr ähnlich zwischen verschiedenen Spinnen. Spidroins eine schraubenförmige und ungeordnete Struktur bei der Lagerung als lösliche Proteine in Spinndrüsen , aber wenn auf Seide konvertiert ihre Struktur ändert vollständig , eine, die ein hohes Maß an mechanischer Stabilität verleiht . Diese Veränderungen werden durch einen Säurewert ( pH ) -Gradienten zwischen einem Ende des Spinnenseidendrüse und anderer vorliegenden ausgelöst . Die Drüse Erlöse aus einem schmalen Schwanz zu einem Sack auf einem schmalen Kanal , und es ist bekannt , dass Seide Formen zu einem genauen Ort innerhalb des Kanals. Jedoch weitere Details der Spinnenseidenproduktionwaren schwer zu fassen.
Durch die Verwendung von hochselektive Mikroelektroden , um den pH innerhalb der Drüsen zu messen, zeigten die Autoren der pH fällt von einem neutralen pH-Wert von 7,6 auf einen sauren pH-Wert von 5,7 zwischen dem Beginn des Schwanzes und auf halber Höhe des Kanals , und daß der pH-Gradient war viel steiler als bisher angenommen. Die Mikroelektroden zeigten auch, dass die Konzentration der Bicarbonat-Ionen und einem Druck von Kohlendioxid gleichzeitig entlang der Drüse steigen. Zusammengenommen legen diese Muster dass der pH-Gradient kann durch die Wirkung des Enzyms Carboanhydrase , das Kohlendioxid und Wasser zu Bicarbonat und Wasserstoffionen ( und wodurch eine saure Umgebung ) konvertiert zu bilden. Mit einem von den Autoren entwickelten Methode konnten sie aktiv Carboanhydrase im engeren Teil der Drüse zu identifizieren und zu bestätigen, dass Carboanhydrase ist für die Erzeugung des pH-Gradienten in der Tat verantwortlich.
Die Autoren fanden auch, daß pH hatten entgegengesetzte Wirkungen auf die Stabilität der beiden Bereiche an jedem Ende der Spidroin Proteine , was überraschend war, da sich diese Regionen im vorgeschlagen worden, ähnliche Rollen in Seidenbildunghaben . Während eines der Enden (der " N- terminale Domäne " ) eher eine Paar mit anderen Molekülen zu Beginn des Kanals und wurde als Säuregehalt mehr entlang des Kanals , das andere Ende zunehmend stabilisiert (die " C -terminale Domäne " ) destabilisiert , wie der Säuregehalt erhöht , und nach und nach entfaltet , bis er bildete die charakteristische Struktur der Seide im sauren pH-Wert von 5,5 . Diese Ergebnisse zeigen, dass beide Enden des Proteins unterzogen dramatische strukturelle Veränderungen im pH-Wert am Anfang des Kanals , der auch die Stelle, an Carboanhydraseaktivität konzentriert gefunden.
Diese Erkenntnisse führten die Autoren , eine neue " Schloss und Trigger" Modell für Spinnenseide Bildung , in der schrittweisen Kopplung aus den N- terminalen Domänen Schlösser spidroins in ein Netzwerk von vielen Proteinmoleküle schlagen , während die Veränderungen der Struktur in der C- terminalen Domänen könnte die schnelle Polymerisation spidroins zu Fasern auszulösen. Interessanterweise ist die Struktur der C -terminalen Domäne ähnlich denen in der " Amyloid " Fibrillen im Gehirn von Patienten mit Krankheiten wie gefunden Alzheimer-Krankheit . Dieser Mechanismus erklärt, wie elegant kann Spinnenseide so schnell und reibungslos im Spinnkanal dieser faszinierenden Tiere zu bilden. Neben der Hilfe für die Menschen zu verstehen, wie sie die Spinnen zu imitieren könnten , um biomimetische Spidroin Fasern für unsere eigenen Zwecke zu produzieren , zu wissen, wie Spinnen spinnen Seide konnten Einblicke in die natürliche Art und Weise zu behindern , die Amyloidfibrillen mit Krankheiten wie assoziiert geben Demenz .