Ha egy pókot lelöknek a falról, nem zuhan sokáig. Ezredmásodpercek alatt megbízható mászókötelet sző egy fehérjekeverékből, és egy vékony, csillogó selyemszál segítségével felhúzza magát. A szál strapabíróbb, mint a kevlár, és erősebb, mint az acél. Rugalmas és biokompatibilis az emberi testtel. A szakértők arról álmodoznak, hogy egy napon pókselyemből különleges anyagokat állítanak elő biztonsági övekhez, bukósisakokhoz, haditengerészeti célokra, sőt akár agysejtek helyreállításának céljával is. A laboratóriumi pókháló-előállítási kísérletek azonban mostanáig kudarcot vallottak, mert a kutatók nem tudnak eleget arról, hogyan csinál a pók a selyemmirigyek „selyemoldatából” – fehérjék, víz és só folyékony keverékéből – erős szálakat.
A folyamat mögött álló molekuláris mechanizmusok feltérképezése nagyon fontos cél ezen a területen, mondja Gregory Holland, a San Diego-i Állami Egyetem vegyésze. Nemrég ő vezette azt a kutatást, amelynek eredményeként leírták, hogy a folyékony selyemalapanyag molekulái hogyan szerveződnek át kondenzátumoknak nevezett félfolyékony cseppekké, mielőtt szilárd selyemszálakká alakulnának. A kutatás atomi szintű betekintést kínál a pókok „selyemgyárába”.
A megállapítások egyben gyakorlati útmutatást is nyújtanak a kondenzátumok kialakulásához, amelyeket a természet többször is használ a molekulák szervezésére genetikai folyamatok és lenyűgözően erős biológiai anyagok létrehozása során. „Egyre világosabbá válik, hogy a kondenzátumok létrehozása általános stratégia, amelyet számos különböző organizmus alkalmaz” – mondja Matthew Harrington, a McGill Egyetem biológiai anyag-kutatója, aki nem vett részt az új vizsgálatban.
A természetes kondenzátumok felhasználásának feltárásával a kutatók remélik, hogy sikerül újraalkotniuk a természet legellenállóbb anyagait.
Miniatűr selyemgyárak
A pókok hihetetlen természetes gyárak. Akár hétféle selymet is képesek szőni, és egy-egy pók gyakran többféle selymet is előállít. A bogyós (aciniform) selyembe becsomagolhatók a rovarok későbbi elfogyasztás céljából. A hurokselyem (flagelliform) a pókháló spirális szálait alkotja, így az jobban elnyeli az ütéseket. A vezérfonal (dragline) selyem rögzíti a hálót és a pókokat az objektumokhoz, például a falakhoz. Minden selyemfajta eltérő tulajdonságokkal rendelkezik a fajtól függően, és ezek a molekulák felépítéséhez kapcsolódnak. Ugyanazon típusú selymek is kissé eltérő tulajdonságokkal rendelkezhetnek, ha más faj alkotja meg őket.
1907-ben a szakértők felfedezték, hogy a pókfonál hosszú, moduláris fehérjékből áll, amelyeket később spidroinoknak neveztek el, és amelyek a kollagénnel és a keratinnal azonos rostfehérje-csoportba tartoznak. Több mint fél évszázaddal később röntgensugarak segítségével kezdtek feltárulni a rostok alapvető szerkezeti jellemzői. A fonál lapos fehérjelapokból, úgynevezett béta-lapokból áll, amelyek egy kevésbé rendezett, nem kristályos mátrixba ágyazódnak.
A 2000-es évek elején, amikor a kutatók oldatban kezdték vizsgálni a spidroinokat, nem láttak olyan rendezett, rögzített szerkezeteket, mint a legtöbb fehérjében. Ehelyett a spidroinok belsőleg rendezetlen régiókat mutattak, amelyek ide-oda lebegtek, és különböző alakzatokat formáltak, majd átrendeződtek. A kutatók ezután kezdték el „kibogozni”, hogy ez a strukturálatlan fehérjékből álló „leves” hogyan szerveződhet erős, ellenálló szálakká.
Az egyik korai elmélet szerint a keverékben lévő fehérjék – akárcsak egy kristályban – egymáshoz igazodnak, miközben dinamikusak maradnak, egy folyadékkristály néven ismert átmeneti állapotban. Egy másik teória szerint a pókháló hasonló a selyemhernyó selyméhez, amelyben a fehérjék micellákká, vagyis kis gömböcskékké szerveződnek, majd ezek összenyomódnak selyemszálakká.
2007-ben aztán a kutatók észrevették, hogy a laboratóriumban előállított spidroinok folyadékhoz hasonló cseppeket képeznek.
Az ilyen típusú struktúrák hamarosan megkerülhetetlenek lettek a modern biológiában. 2009-ben a massachusettsi Tengerbiológiai Laboratórium és a németországi Max Planck Intézet kutatói aggregált RNS-molekulákból álló cseppeket fedeztek fel megtermékenyített féregpetékben. Ezek voltak a kondenzátumok – folyadék- vagy gélszerű buborékok, amelyek koncentrált fehérjéket tartalmaznak, és oldatban lebegnek. Bár már több mint egy évszázada figyelik őket, a kondenzátumokat csak az utóbbi időben kezdték el az életben zajló molekuláris folyamatok kritikus szervezőeszközének tekinteni.
A kutatók rájöttek, hogy a kondenzátumok koncentrálják a molekulákat, előzetesen rugalmas mikrokörnyezetbe szervezve őket anélkül, hogy szilárd anyagként rögzítenék őket. „Mivel folyékonyak, alakíthatóak, így a biológia gyakorlatilag bármilyen formára alakíthatja őket” – mondja Harrington.
További kutatások kimutatták, hogy az élő sejtek mindenhol használják a kondenzátumokat: a DNS szervezésére, a génkifejeződés szabályozására és a fehérjék csomagolására is. Makroszkopikus szinten segítenek a fajoknak érdekes anyagok építésében. Segítenek a tintahal csőrének fokozatosan merevebb részekből álló alakításában. Erős ragasztóanyagokat képeznek, amelyek lehetővé teszik a kagylóknak, hogy a sziklákhoz rögzüljenek, valamint tengeri ragasztót, amelyet a homokvárépítő férgek használnak. „Ez egy rendkívül izgalmas terület a biológiában” – mondja Holland.
Bár a kutatók már több mint egy évtizeddel korábban leírták a laboratóriumban előállított spidroinokban kialakuló cseppeket, ezeket 2020-ig nem tekintették kondenzátumoknak, amikor is Keiji Numata, a Kiotói Egyetem biomateriális kémikusa felvetette, hogy a pókhálószál a folyékony oldatból szilárd szállá alakulása során kondenzátumfázison megy keresztül.
A kondenzátumok úgynevezett „folyadék-folyadék fázisszeparáció” útján alakulnak ki, amely során a folyadékban lévő molekulák gyenge kölcsönhatásba léphetnek egymással, könnyen alakítva ki kötéseket és bontva azokat olyan ingerek hatására, mint a pH-érték, a vegyi anyagok vagy a hőmérséklet változása. Numata azt feltételezte, hogy az ampullában – a pók selyemmirigyeinek középső szakaszában – található foszfát indíthatja el ezeket a kölcsönhatásokat. De senki sem írta le az ezt vezérlő atomi szintű mechanizmusokat, amíg Hannah Johnson, aki akkoriban Holland laboratóriumában volt doktorandusz, úgy nem döntött, hogy utánajár a rejtélynek.
A fekete özvegy belsejében
2023 és 2024 folyamán néhány havonta egy csomag nőstény fekete özvegy érkezett a San Diego-i Állami Egyetem kémia tanszékére. Ezek a pókok – koromfekete állatok, egy csipetnyi vörös beütéssel – olyan erős mérget termelnek, amely az ember számára nagyon fájdalmas lehet. Ezen apró kellemetlenséget leszámítva kiváló alanyok a pókhálók tanulmányozásához. A vezérfonal-selymükben található spidroin fehérjék az összes pók közül a legalaposabban jellemzettek közé tartoznak. Ráadásul egész évben rendelkezésre állnak, ellentétben más pókokkal, amelyek csak szezonálisan szőnek hálót.
Johnson és társai dupla védőkesztyűben gyűjtöttek selymet a fekete özvegyektől, amelyeket szén-dioxiddal elkábítottak. Csipesszel óvatosan kihúzták a selyemszálat a pók szövőmirigyeiből – azokból a hasrészi nyílásokból, ahonnan a szálak előbújnak –, majd egy forgó motorra felszerelt fiolára tekerték fel azokat.
„Azok a pókok a kedvenceink, amelyek rengeteg selymet adnak, de gyengéim a lázadók, akik nem akarnak együttműködni”
– mondja Johnson. A folyamat során a kutatók a fekete özvegyeket olyan aminosav-koktéllal etették, amelyet speciális izotópokkal dúsítottak.
Johnson mágneses magrezonanciával vizsgálta a folyékony pókfonalakat, valamint a pókok ampulláiból gyűjtött kondenzátumokon is. Eközben Kevin Chalek, aki Holland laboratóriumában posztdoktori kutatóként dolgozott ekkor, jelenleg pedig a Kaliforniai Egyetem munkatársa, feltérképezte a szilárd szálban található fehérjék atomi szerkezetét. „Arra törekedtünk, hogy áthidaljuk a szakadékot a fehérje pók belsejében és kívül jellemző viselkedése között. Ugyanazokról a fehérjékről van szó, hogyan lehetnek ennyire különbözőek? És pontosan mi történik a két állapot között?” – kérdezte Chalek.
Johnson megfigyelte, hogy miután foszfátot adott a folyékony selyemoldathoz a kondenzációs folyamat elindításához, a spidroin fehérjék belsőleg rendezetlen régióiban található két aminosav (arginin és tirozin) oldalsó csoportjai gyenge kölcsönhatásba léptek egymással. Ez a kölcsönhatás kiszorította a vizet, és a rendezetlen fehérjéket sűrűbb, gélszerű anyaggá – kondenzátummá – szervezte. A kölcsönhatás a szilárd szálban is fennmaradt, ami arra utal, hogy az aminosavak „molekuláris ragasztóként” szolgálnak, amelyek a rendezetlen fehérjéket kondenzátumokká, majd végül szálakká formálják.
A csapat többi tagja az AlphaFold nevű, fehérjeszerkezeteket modellező mesterséges intelligencia eszközt és molekuláris dinamikai szoftvert használt, hogy számítógépes szimulációval modellezze ezt a folyamatot. A kutatók tudják, hogy a pókháló szilárdsága a végső szálban található, erős béta-lemez fehérjeszerkezetekből származik.
A csapat szimulációi kimutatták, hogy az említett aminosavak pontosan a béta-lemezek hajlatai mentén sorakoznak fel, ami arra utal, hogy segítenek a spidroinokat végső szerkezetükbe irányítani.
„Fantasztikus megérteni, hogy ezek az oldalsó csoportok hogyan lépnek kölcsönhatásba, és hogyan alakíthatnak ki egy olyan szerkezetet, amely több, mint az egyes részek összerakása” – mondja Chris Holland, a Sheffield-i Egyetem biológusa, aki nem vett részt a vizsgálatban. Az eredmények közvetlen bizonyítékot nyújtanak arra, hogy a kondenzátumok természetes selyemből is kialakulhatnak, ami nagyon fontos, teszi hozzá Daiwen Yang, a Szingapúri Nemzeti Egyetem biológusa, aki szintén nem vett részt a kutatásban.
A kondenzátumok leírása nem zárja ki a pókháló kialakulására vonatkozó korábbi elméletek helyességét. Gregory Holland, aki korábban kimutatta a micellák jelenlétét a természetes pókhálóban, úgy véli, hogy mindhárom tényező – a micellák, a kondenzátumok és a folyadékkristályok – ugyanazon fázisátmenet része lehet. A folyékony oldatban kialakuló micellák megakadályozzák, hogy a rendezetlen fehérjék összecsomósodjanak és összegabalyodjanak. A fehérjék előzetesen kondenzátumokká is összeállhatnak, vagy folyadékkristályokhoz hasonló struktúrákba rendeződhetnek, mielőtt a szövőmirigyekből rendkívül rendezett szálakként kerülnek ki. A tényleges folyamat azonban valószínűleg „dinamikusabb és heterogénebb” az egymást követő lépések sorozatánál, mondja Gregory Holland, mivel ezek közül a struktúrák közül több egyszerre is kialakulhat a keverékben. Harrington is egyetért ezzel. „Nem hiszem, hogy kizárnák egymást” – mondja. „Lehet, hogy különböző típusú fázisátmenetek zajlanak a feldolgozás különböző szakaszaiban.”
De biztos, hogy még sok mindent fel kell tárni azzal kapcsolatban, hogy ezek a kölcsönhatások hogyan hatnak együtt ezen a „gyártósoron”. Valószínűleg vannak más jelentős aminosav-kölcsönhatások is, amelyeket a kutatók még nem tudtak részletesen feltérképezni. Emellett olyan kiváltó tényezőket is keresnek, amelyek a foszfáton túl részt vesznek a folyamat beindításában. „Lehet, hogy több más tényező is hozzájárul ezeknek a fehérjéknek a szerkezeti változásaihoz” – mondta Chris Holland. „Még nem ismerjük az összes kapcsolót.”
Kiváló anyagok
A komplex selyemfonási folyamat teljes leírása nagy erőfeszítést igényel, de a haszna hatalmas lehet. A pókok kis mennyiségű felhasználható selymet termelnek a selyemhernyókhoz képest, amelyeket már több mint 4000 éve tenyésztenek a gubóik miatt. Egy selyeming elkészítéséhez több ezer selyemhernyóra van szükség, ugyanehhez körülbelül 1 millió pók kellene, részben azért, mert nem termelnek olyan gubókat, amelyeket könnyen feldolgozhatnánk. Van egy gyakorlatiasabb ok is: a pókokat kannibalista természetük miatt nehéz tenyészteni, mivel el kell különíteni őket.
A pókháló laboratóriumi előállítása új, erős, mégis rugalmas anyagok egész sorát eredményezheti. A kevlár, egy szintetikus szál, amely jelenleg a legerősebb anyagunk, előállításához nagyon magas hőmérsékletre és savas körülményekre van szükség. „Itt van egy olyan organizmus, mint a pók vagy a kagyló, amely alapjáraton kiváló anyagot állít elő környezeti hőmérsékleten, a tengervízben vagy egyszerűen a levegőben” – mondja Harrington.
A szakértők még nem jöttek rá, hogyan tudnák utánozni ezeket a szervezeteket. Amikor laboratóriumban szintetizálnak pókhálót, a spidroin fehérje felépítéséhez a pontos aminosav-szekvenciát használva, az így kapott szál nem lesz olyan erős, mint a természetes pókháló. „Valami olyasmi történik ott, amit nehezen tudunk utánozni” – mondta Chalek. A szakértő úgy véli, hogy a további szilárdságot a fehérje béta-lemezszerkezetén túlmutatóan valami más is biztosítja, ami a selyem szerkezetének egyéb aspektusaiból fakad, vagy talán a spidroin fehérje olyan részeiből, amelyeket a szintetikus selyemoldatokból egyelőre kihagynak. Ahogy Chris Holland mondja:
„Ha egyszer valóban megértjük ezeket a recepteket, akkor még többet hozhatunk ki a selyemből.”
