Dacă un păianjen este dat jos de pe un perete, nu cade prea mult. În câteva milisecunde își țese o coardă de cățărare sigură dintr-un amestec de proteine și se ridică folosind firul subțire și strălucitor de mătase. Firul este mai durabil decât Kevlar-ul și mai rezistent decât oțelul. Este elastic și biocompatibil cu organismul uman. Specialiștii visează ca într-o zi să producă din mătase de păianjen materiale speciale pentru centuri de siguranță, căști de protecție, aplicații navale și chiar pentru refacerea celulelor cerebrale. Până acum însă încercările de a produce mătase de păianjen în laborator au eșuat. Cercetătorii nu știu suficient despre felul în care păianjenul transformă „soluția de mătase” din glandele sale sericigene, un amestec lichid de proteine, apă și săruri, în fire rezistente.
Descifrarea mecanismelor moleculare ale acestui proces este un obiectiv esențial în domeniu, spune Gregory Holland, chimist la Universitatea de Stat din San Diego. Recent a condus un studiu care a descris cum se reorganizează moleculele din materia primă lichidă a mătăsii în picături semilichide numite condensate, înainte de a deveni fire solide. Studiul oferă o perspectivă la nivel atomic asupra „fabricii de mătase” a păianjenilor.
Rezultatele oferă și îndrumări practice pentru formarea condensatelor. Natura folosește frecvent aceste structuri pentru a organiza moleculele în cadrul proceselor genetice și pentru a crea materiale biologice uimitor de rezistente. „Devine tot mai clar că formarea condensatelor este o strategie generală folosită de numeroase organisme diferite”, spune Matthew Harrington, cercetător în domeniul biomaterialelor la Universitatea McGill, care nu a participat la noul studiu.
Studiind felul în care natura folosește condensatele, cercetătorii speră să poată reproduce unele dintre cele mai rezistente materiale naturale.
Fabrici de mătase în miniatură
Păianjenii sunt fabrici naturale incredibile. Pot țese până la șapte tipuri de mătase, iar un singur păianjen produce adesea mai multe dintre ele. Mătasea aciniformă (aciniform) permite învelirea insectelor pentru a fi consumate mai târziu. Mătasea flageliformă (flagelliform) formează firele spiralate ale pânzei, ajutând-o să absoarbă mai bine șocurile. Mătasea firului de siguranță (dragline) fixează pânza și păianjenii de obiecte, cum ar fi pereții. Proprietățile fiecărui tip de mătase depind de specie și sunt legate de structura moleculelor. Chiar și firele de același tip pot avea proprietăți ușor diferite dacă sunt produse de specii diferite.
În 1907 specialiștii au descoperit că firul de păianjen este alcătuit din proteine lungi, modulare, numite ulterior spidroine. Acestea fac parte din aceeași categorie de proteine fibroase ca și colagenul și cheratina. După mai bine de o jumătate de secol, razele X au început să dezvăluie caracteristicile structurale de bază ale fibrelor. Firul conține structuri proteice plate, numite foi beta, încorporate într-o matrice mai puțin ordonată și necristalină.
La începutul anilor 2000, când cercetătorii au început să studieze spidroinele în soluție, nu au observat structurile ordonate și fixe întâlnite la majoritatea proteinelor. În schimb spidroinele prezentau regiuni intrinsec dezordonate, care se mișcau liber, adoptau diferite forme și se rearanjau. Cercetătorii au început apoi să deslușească felul în care această „supă” de proteine nestructurate se poate organiza în fire puternice și rezistente.
Una dintre primele teorii susținea că proteinele din amestec se aliniază ca într-un cristal, dar își păstrează mobilitatea într-o stare intermediară numită cristal lichid. O altă teorie considera că mătasea de păianjen seamănă cu cea a viermilor de mătase. În aceasta proteinele se organizează în micele, mici structuri sferice care sunt apoi comprimate pentru a forma firele de mătase.
În 2007 cercetătorii au observat că spidroinele produse în laborator formează picături cu un comportament asemănător lichidelor.
Aceste structuri au ajuns curând în centrul atenției biologiei moderne. În 2009 cercetătorii de la Laboratorul de Biologie Marină din Massachusetts și de la Institutul Max Planck din Germania au descoperit picături alcătuite din molecule de ARN agregate în ouă fecundate de viermi. Erau condensate: mici formațiuni asemănătoare unui lichid sau unui gel, care conțin proteine concentrate și plutesc în soluție. Deși sunt observate de peste un secol, abia recent condensatele au început să fie considerate structuri esențiale pentru organizarea proceselor moleculare ale vieții.
Cercetătorii au înțeles că aceste condensate concentrează moleculele și le organizează într-un micromediu flexibil, fără a le fixa într-un material solid. „Fiind lichide, sunt modelabile, așa că sistemele biologice le pot da practic orice formă”, spune Harrington.
Alte cercetări au arătat că celulele vii folosesc condensatele în numeroase procese: pentru organizarea ADN-ului, reglarea expresiei genelor și împachetarea proteinelor. La scară macroscopică ajută diferite specii să producă materiale interesante. Contribuie la formarea ciocului calmarilor, ale cărui regiuni devin treptat mai rigide. Formează adezivii puternici cu care midiile se fixează de stânci, dar și adezivul marin folosit de viermii care construiesc tuburi din nisip. „Este un domeniu extrem de interesant al biologiei”, spune Holland.
Deși picăturile formate de spidroinele produse în laborator fuseseră descrise cu mai bine de un deceniu înainte, acestea nu au fost considerate condensate până în 2020. Atunci Keiji Numata, chimist specializat în biomateriale la Universitatea din Kyoto, a propus ideea că mătasea de păianjen trece printr-o fază de condensat în timpul transformării din soluție lichidă în fir solid.
Condensatele se formează printr-un proces numit „separare de fază lichid-lichid”. Moleculele din lichid pot interacționa slab între ele, formând și desfăcând cu ușurință legături ca răspuns la stimuli precum modificarea pH-ului, a compoziției chimice sau a temperaturii. Numata a presupus că fosfatul din ampulă, porțiunea centrală a glandelor sericigene ale păianjenului, ar putea declanșa aceste interacțiuni. Nimeni nu descrisese însă mecanismele atomice care le controlează până când Hannah Johnson, pe atunci doctorandă în laboratorul lui Holland, a decis să investigheze misterul.
În interiorul văduvei negre
În 2023 și 2024, la fiecare câteva luni sosea la departamentul de chimie al Universității de Stat din San Diego câte un colet cu femele de văduvă neagră. Acești păianjeni negri ca smoala, cu accente roșii, produc un venin puternic care poate provoca dureri intense la oameni. Dincolo de acest mic inconvenient, sunt subiecți excelenți pentru studierea mătăsii de păianjen. Spidroinele din firele lor de siguranță se numără printre cele mai bine caracterizate proteine de acest tip din toate speciile de păianjeni. În plus sunt disponibili pe tot parcursul anului, spre deosebire de alți păianjeni care țes pânze doar în anumite anotimpuri.
Johnson și colegii săi purtau câte două perechi de mănuși de protecție pentru a colecta mătase de la văduvele negre anesteziate cu dioxid de carbon. Cu o pensetă extrăgeau cu grijă firul prin filierele păianjenului, orificiile abdominale prin care ies firele, apoi îl înfășurau pe o fiolă montată pe un motor rotativ.
„Preferăm păianjenii care ne dau multă mătase, dar am o slăbiciune pentru rebelii care nu vor să coopereze”
spune Johnson. Pe parcursul procesului, cercetătorii au hrănit văduvele negre cu un amestec de aminoacizi îmbogățit cu izotopi speciali.
Johnson a folosit rezonanța magnetică nucleară pentru a studia mătasea în stare lichidă și condensatele colectate din ampulele păianjenilor. În paralel Kevin Chalek a cartografiat structura atomică a proteinelor din firul solid. Pe atunci era cercetător postdoctoral în laboratorul lui Holland, iar acum lucrează la Universitatea din California. „Am încercat să înțelegem ce leagă comportamentul proteinei din interiorul păianjenului de cel pe care îl are în exterior. Sunt aceleași proteine. Cum pot fi atât de diferite? Și ce anume se întâmplă între cele două stări?”, a întrebat Chalek.
Johnson a observat că după adăugarea fosfatului în soluția lichidă de mătase pentru a declanșa condensarea, grupările laterale ale doi aminoacizi, arginina și tirozina, au început să interacționeze slab între ele. Aceștia se găsesc în regiunile intrinsec dezordonate ale spidroinelor. Interacțiunea a eliminat apa și a organizat proteinele dezordonate într-un material mai dens, asemănător unui gel: un condensat. Interacțiunea s-a păstrat și în firul solid, ceea ce sugerează că aminoacizii acționează ca un „adeziv molecular” care organizează proteinele dezordonate în condensate și în cele din urmă în fire.
Ceilalți membri ai grupului au folosit AlphaFold, un instrument AI pentru modelarea structurilor proteice, și software de dinamică moleculară pentru a reproduce procesul prin simulări pe calculator. Cercetătorii știu că rezistența mătăsii de păianjen provine din structurile proteice robuste de tip foi beta prezente în firul final.
Simulările au arătat că aminoacizii menționați se aliniază exact de-a lungul pliurilor foilor beta, ceea ce sugerează că ajută spidroinele să adopte structura finală.
„Este fantastic să înțelegem cum interacționează aceste grupări laterale și cum pot forma o structură care reprezintă mai mult decât suma părților sale”, spune Chris Holland, biolog la Universitatea din Sheffield, care nu a participat la studiu. Rezultatele oferă dovezi directe că se pot forma condensate și din mătase naturală, un aspect foarte important, adaugă Daiwen Yang, biolog la Universitatea Națională din Singapore, care nu a participat nici el la cercetare.
Descrierea condensatelor nu exclude valabilitatea teoriilor anterioare despre formarea mătăsii de păianjen. Gregory Holland a demonstrat anterior prezența micelelor în mătasea naturală de păianjen. El consideră că toate cele trei elemente, micelele, condensatele și cristalele lichide, ar putea face parte din aceeași tranziție de fază. Micelele formate în soluția lichidă împiedică aglomerarea și încurcarea proteinelor dezordonate. Proteinele se pot grupa în condensate sau se pot organiza în structuri asemănătoare cristalelor lichide înainte de a ieși prin filiere sub forma unor fire foarte ordonate. Procesul este însă probabil „mai dinamic și mai eterogen” decât o simplă succesiune de etape, spune Gregory Holland, deoarece mai multe dintre aceste structuri se pot forma simultan în amestec. Harrington este de acord. „Nu cred că se exclud reciproc”, spune el. „Este posibil ca în diferite etape ale procesului să aibă loc tipuri diferite de tranziții de fază.”
Cu certitudine mai sunt multe de descoperit despre felul în care aceste interacțiuni se combină pe „linia de producție”. Probabil există și alte interacțiuni importante între aminoacizi pe care cercetătorii nu au reușit încă să le descrie în detaliu. Sunt căutați și alți factori care contribuie la declanșarea procesului, pe lângă fosfat. „Este posibil ca mai mulți factori să contribuie la modificările structurale ale acestor proteine”, a spus Chris Holland. „Încă nu cunoaștem toate mecanismele de declanșare.”
Materiale excepționale
Descrierea completă a procesului complex de producere a mătăsii necesită un efort considerabil, dar beneficiile ar putea fi uriașe. Păianjenii produc puțină mătase utilizabilă în comparație cu viermii de mătase, crescuți pentru coconii lor de peste 4.000 ani. Pentru o cămașă de mătase sunt necesari câteva mii viermi de mătase. Pentru aceeași cantitate de material ar fi nevoie de aproximativ 1 milion păianjeni, parțial pentru că aceștia nu produc coconi ușor de prelucrat. Există și un motiv mai practic: păianjenii sunt greu de crescut din cauza comportamentului lor canibal și trebuie ținuți separat.
Producerea mătăsii de păianjen în laborator ar putea duce la o întreagă gamă de materiale noi, rezistente și totodată elastice. Fabricarea Kevlar-ului, o fibră sintetică considerată în prezent cel mai rezistent material disponibil, necesită temperaturi foarte ridicate și un mediu acid. „Avem însă organisme precum păianjenii sau midiile, care produc în mod obișnuit materiale excelente la temperatura ambiantă, în apa mării sau pur și simplu în aer”, spune Harrington.
Specialiștii nu au descoperit încă modul în care pot imita aceste organisme. Când sintetizează mătase de păianjen în laborator folosind secvența exactă de aminoacizi pentru a construi spidroina, firul obținut nu este la fel de rezistent ca mătasea naturală. „Acolo se întâmplă ceva ce ne este greu să reproducem”, a spus Chalek. El consideră că rezistența suplimentară nu este asigurată doar de structura de foi beta a proteinei. Ar putea proveni din alte aspecte ale structurii mătăsii sau poate din porțiuni ale spidroinei care sunt deocamdată omise din soluțiile de mătase sintetică. După cum spune Chris Holland:
„Când vom înțelege cu adevărat aceste rețete, vom putea obține și mai mult din mătase.”
