Apr 22, 2023
Молекулярный атлас раскрывает три
Том «Природные коммуникации»
Nature Communications, том 14, номер статьи: 837 (2023) Цитировать эту статью
3962 Доступа
253 Альтметрика
Подробности о метриках
Процесс производства натурального шелка в большой ампулятной железе паука (Ма) наделяет шелк драглайна исключительными механическими свойствами и потенциалом для биомиметического применения. Однако точная генетическая роль железы Ма в этом процессе остается неизвестной. Здесь мы составили систематический молекулярный атлас производства шелка драглайном посредством высококачественной сборки генома паука, плетущего золотые шары Trichonephila clavata, и мультиомного подхода к определению трехсекционной архитектуры магниевых желез: хвоста, мешочка и протока. Мы обнаружили иерархический биосинтез спидроинов, органических кислот, липидов и хитина в секционированной Ма-железе, отвечающей за конституцию тонкого шелка. Упорядоченная секреция спидроинов достигалась за счет синергетической регуляции эпигенетических сигнатур и сигнатур ceRNA для генов спидроинов, распределенных по геномным группам. Профилирование одноклеточной и пространственной РНК выявило десять типов клеток с разделенным функциональным делением, определяющим трехсекционную организацию железы Ма. Конвергентный анализ и генетические манипуляции также подтвердили, что эта трехсекционная архитектура шелковой железы аналогична у членистоногих и неразрывно связана с образованием шелка. В совокупности наше исследование предоставляет многомерные данные, которые значительно расширяют знания о производстве шелка для драглайнов-пауков и в конечном итоге способствуют инновациям в области волокон, вдохновленных пауками.
Пауки (отряд Araneae) — многочисленные членистоногие хищники широкого профиля, включающие более пятидесяти тысяч современных видов1,2. Все пауки производят шелк — натуральные высокоэффективные белковые волокна, которые имеют решающее значение для выживания и размножения пауков3,4. Производство шелка представляет собой увлекательную особенность пауков, представляющую особый экономический интерес, главным образом из-за исключительных свойств этих волокон, включая высокую прочность на разрыв и ударную вязкость, низкую плотность, автоматическое вращение и биосовместимость5,6,7. Многочисленные исследователи пытались имитировать процессы производства и прядения природного спидроина (основного белка паучьего шелка) для биомиметического создания искусственных материалов со свойствами, подобными паучьему шелку8,9,10,11; однако большая часть нашего нынешнего понимания формирования паучьего шелка основана на физических и материальных исследованиях, которые дали лишь частичное представление о его природе12,13. Таким образом, выяснение молекулярно-биологических механизмов, участвующих в системе производства натурального шелка, будет ценным для более глубокого понимания паучьего шелка14,15,16,17.
Хотя кругообразные пауки имеют несколько желез, производящих шелк, большая ампулярная железа (Ма) часто используется в качестве модельной системы в исследованиях по производству шелка из-за ее относительно большого размера и, особенно, впечатляющих свойств ее продукта - шелка-драглайна18. Соответственно, большинство попыток создания инновационных волокон на основе шелка для драглайнов обычно включали белки шелка и микроокружение, вырабатываемое Ма-железой11,12,19. Ма-железу можно разделить на три макроскопических сегмента: хвост, мешок и проток, которые характеризуются градиентами значений pH, концентраций ионов и сил сдвига20,21,22. Жидкий белок шелка синтезируется и хранится в очень высокой концентрации в хвосте и мешочке и трансформируется в нерастворимую клетчатку через проток23,24.
В этом контексте были созданы рекомбинантные спидроины большой ампулы (MaSps) для достижения специфических физических свойств шелка, включая прочность, растяжимость и липкость25,26,27. Элементы, составляющие паучий шелк (SpiCE), которые не являются спидроиновыми белками, использовались для увеличения прочности на разрыв в случае композитных шелковых пленок28,29. Кроме того, микрофлюидное устройство, разработанное для точной имитации естественных ионных условий и условий pH, позволило напрямую вытягивать волокна из выпускного отверстия, а затем наматывать их на воздухе, как при естественном прядении30,31,32. Становится очевидным, что детальные механизмы, лежащие в основе производства шелка драглайна, включая клеточную архитектуру и молекулярную функцию железы Ма, а также биосостав и образование шелка драглайна, имеют основополагающее значение для передовых инноваций в области волокон11,33.