Белки паучьего шелка образуют гидрогель при температуре тела человека

Входящие в состав паутины белки — спидроины — обладают высоким потенциалом для разработки новых биоматериалов, но их склонность к агрегации усложняет производство и применение. Международная группа, возглавляемая учеными из Каролинского института в Швеции, заинтересовалась молекулярным механизмом, который позволяет паукам сохранять белки в форме растворов и препятствовать их слипанию перед прядением паутины.

В состав спидроинов входит центральная область повторов, ограниченная N- и C-концевыми доменами (NT и СT). Область повторов может быть разного размера; она регулирует механические свойства белка. NT и СT контролируют формирование паутины в ответ на изменение условий; они являются эволюционно консервативными. Считается, что мономер NT высоко растворим во всех изученных условиях; при формировании паутины он димеризуется.

Исследователи получили рекомбинантный малый спидроин His-NT2RepCТ, состоящий из NT и СT, короткой области повторов, а также His6-метки. Они показали, что этот белок быстро образовывал гидрогель при температуре 37°C. При этом время гелеобразования было тем меньше, чем выше была концентрация белка.

Затем авторы протестировали эту способность для каждой части белка в отдельности, а также для их комбинаций. Неожиданным стало обнаружение способности к гелеобразованию у изолированного NT, ведь раньше считалось, что NT — хорошо растворимый и стабильный белок. Однако при концентрации 300 мг/мл его раствор переходил в состояние геля через 10 минут. Такой гель превосходил по механическим свойствам другие гидрогели белков паучьего шелка, а также натуральные гидрогели, такие как желатин, агар и коллаген.

Изучив спектры His-NT2RepCT и NT до и после образования геля, исследователи установили, что гелеобразование вызвано переходом α-спиралей в β-листы. При этом в составе гелей обнаружили амилоидоподобные фибриллы. Так, NT образовывал удлиненные тонкие фибриллы (5–12 нм в диаметре), тогда как у His-NT2RepCT они были короче и толще (7–16 нм). При помощи ЯМР-спектроскопии авторы выяснили, что именно домен NT важен для образования гидрогеля.

Способность NT к гелеобразованию зависела от пластичности его структуры. Стабилизация структуры посредством мутаций или добавления солей предотвращала образование геля.

Интересно, что растворы спидроинов, собранных из паутинных желез Larinioides sclopetarius, не переходили в гель при 37°C в течение 21 дня. Вероятно, пауки выработали адаптации для предотвращения гелеобразования при накоплении спидроина. Также не все NT образуют гидрогели. Так, NT паука Trichonephila clavipes способен к гелеобразованию, а Araneus ventricosus — нет.

Также исследователи предположили, что в случае объединения с другим белком способность NT к гелеобразованию и функциональная активность присоединенного фрагмента не пострадают. Чтобы проверить эту гипотезу, ген NT объединили с генами зеленого флуоресцентного белка (GFP) и фермента пуриннуклеозидфосфорилазы (PNP), после чего экспрессировали их в E. coli. Оказалось, что полученные белки образовали гели через 2 и 6,5 ч при 37°C, соответственно для GFP и PNP. При этом фрагмент GFP даже после гелеобразования сохранял более 70% от исходного уровня флуоресценции, а PNP — 65% начальной ферментативной активности.

В будущем авторы планируют разработать белковый раствор для инъекций, который образовывал бы гель внутри организма. Они предполагают, что с его помощью можно обеспечить контролируемую доставку лекарств. В химической промышленности гель мог бы быть полезен для образования химерных белков с ферментами, используемых для ускорения различных химических реакций.