Молекулярный атлас производства паучьего шелка может помочь вывести уникальный материал на рынок

Исследователи из Юго-Западного университета в Китае создали полную сборку генома на хромосомном уровне и полный набор генов спидроинов у золотого паука-кругопряда Trichonephila clavata, известного своими особенно прочными золотистыми сетями.

Учёные утверждают, что их работа «предоставляет многомерные данные, значительно расширяющие знания о генерации паутинного шелка-драглайна…». Исследователи планируют использовать этот новый «молекулярный атлас», чтобы лучше понять, как пауки производят свой шёлк.

Опубликованная в журнале Nature Communications статья подробно описывает шаги, предпринятые исследователями — от сбора диких пауков до мультиомиксного анализа — для раскрытия взаимодействия генов в большой ампулятной железе паука, ответственном за производство шелка-драглайна.

Паучий шёлк-драглайн — это настоящий материал-чудо с множеством потенциальных медицинских и промышленных применений. Он легче и прочнее стали, сохраняя при этом эластичность, сопоставимую с резиной. В отличие от многих синтетических материалов, паучий шёлк нетоксичен, биоразлагаем и биосовместим, что делает его идеальным материалом для хирургических имплантатов, биосенсоров и восстановления тканей.

Единственное ограничение для замены паучьим шелком множества современных материалов — сложность его производства. В прошлом компания Nexia пыталась производить белки в козьем молоке, и это работало, но не в масштабах, необходимых для массового производства.

И, несмотря на очевидные преимущества паучьего шелка, никто не начал разводить пауков в необходимых масштабах. Исследователи ожидают, что лучшее понимание производства шелка на молекулярном уровне у пауков даст практические знания, которые помогут вывести этот уникальный материал на рынок.

Создание молекулярного атласа с помощью мультиомиксных технологий

Для получения генома команда использовала платформу Oxford Nanopore (способную давать самые длинные непрерывные чтения), секвенаторы Illumina (для более точных, но коротких чтений) и Hi-C для картирования хромосом. Комбинируя эти три набора геномных данных, исследователи смогли биоинформатически реконструировать детальную модель сборки генома на хромосомном уровне и полный набор генов спидроинов.

Наличие этих геномных данных позволяет установить связь между экспрессией генов и конечными белками в паучьем шелке, что учёные и сделали далее. Команда провела анализ транскриптома (матричной РНК), протеома и метаболома трёх сегментов большой ампулятной железы: хвоста, мешочка и протока.

Анализ методом жидкостной хроматографии-масс-спектрометрии идентифицировал 28 белков: 10 спидроинов (белков, составляющих паучий шёлк), 15 элементов, конституирующих паучий шёлк, и один, связанный с ядом. Выявив основные компоненты, исследователи смогли ранжировать их по интенсивности на основе абсолютной количественной оценки.

Дальнейший анализ позволил охарактеризовать конкретные биологические функции Хвоста, Мешочка и Протока в производстве шелка на основе функций генов и их продуктов. Омиксные данные Хвоста в основном касались синтеза органических кислот, Мешочка — производства липидов, а Протока — ионного обмена и синтеза хитина.

Предыдущие исследования обнаруживали некоторые элементы, описанные в текущей работе, но ни одно не собрало полную картину таким целостным и всеобъемлющим образом.