Свойства клея пауков-кругопрядов эволюционируют быстрее их генов
Пауки, которые не плетут качественную паутину, остаются без еды. Шелк, который производят пауки для создания ловчих сетей, критически важен для их выживания. Однако пауки обитают в различных условиях, требующих паутины, «настроенной» на местный успех. Ученые исследовали клей, делающий паутину пауков-кругопрядов липкой, чтобы понять, как его материальные свойства меняются в разных условиях.
«Обнаружение липких белковых компонентов биологических клеев открывает двери для определения того, как эволюционируют материальные свойства», — сказала доктор Надия Аюб из Университета Вашингтона и Ли. «Шелковые волокна и клеи пауков представляют собой фантастическую модель для ответа на такие вопросы, поскольку они в основном состоят из белков, а белки кодируются генами».
«Шелки и клеи пауков обладают огромным биомиметическим потенциалом», — добавил доктор Брент Опелл из Виргинского политехнического института. «Пауки производят клеи с впечатляющими свойствами, которые нашли бы применение в промышленности, медицине и других областях».
Запутавшись в паутине
Каждая нить паутины кругопряда вносит вклад в поимку добычи. Сеть имеет жесткий каркас, поглощающий удар от жертвы, которая затем удерживается липкими нитями, пока паук не нападет. Эти нити становятся липкими благодаря водному клею, синтезируемому в агрегатных железах. Клей поглощает воду из атмосферы и должен быть оптимизирован для достижения наилучшей липкости при локальной влажности. Существует множество видов кругопрядов, живущих в разных средах, что означает, что их клей должен адаптироваться к разным уровням влажности.
Чтобы понять, как адаптируется липкость паучьего клея, Аюб и ее коллеги сосредоточились на двух видах: Argiope argentata, обитающем в засушливых условиях, и Argiope trifasciata, живущем во влажной среде. Команда собрала паутины A. trifasciata в дикой природе, а пауков A. argentata заставила строить сети в лаборатории. Чтобы убедиться, что эти сети эквивалентны диким, ученые кормили пауков рационом, сопоставимым с их обычной добычей, и сравнивали объем капель клея с контрольными образцами из дикой природы, чтобы убедиться, что влажность в лаборатории не влияет на свойства капель. Затем они проанализировали белки в клее и материальные свойства капель.
Липкая ситуация
Команда обнаружила, что капли пауков A. argentata меньше, чем у A. trifasciata, и поглощают меньше воды при увеличении локальной влажности. У них также были меньше белковые ядра, занимающие меньшую долю объема капли, и они поглощали меньше воды из атмосферы. Прочность капель клея у обоих видов основана на жесткости белкового ядра капель, и прочность ядра A. argentata снижалась с ростом влажности. Капли клея на нитях A. argentata в целом располагались ближе друг к другу и были липче.
Ученые также проанализировали белки, обнаруженные в каплях клея, чтобы понять, как эти различия в материальных свойствах возникают из белков. Хотя найденные белки были схожими, они присутствовали в разных пропорциях, а клей A. argentata содержал белковые продукты четырех генов, которых не было в клее A. trifasciata. Эти дополнительные белки и более сбалансированное соотношение белков AgSp1 и AgSp2 могут объяснять как большую прочность этого клея, так и его меньшую способность к поглощению воды.
«Несмотря на драматические различия в материальных свойствах, два вида разделяют большинство своих белковых компонентов», — сказал Опелл. «Последовательности этих белков также схожи между видами, но относительное содержание отдельных белков различается. Изменение соотношений белков, вероятно, является быстрым механизмом настройки материальных свойств биологических клеев».
«Это исследование изучило только два вида, поэтому наши предложенные взаимосвязи между белками и материальными свойствами ограничены», — предостерегла Аюб. «Однако мы находимся в процессе документирования белковых компонентов и материальных свойств разнообразного набора видов, что позволит с большей вероятностью выявить механизмы того, как белки обусловливают материальные свойства».