Spindelsilke är en av de tuffaste fibrerna i naturen och har häpnadsväckande egenskaper. Forskare från universitetet i Würzburg upptäckte nya molekylära detaljer för självmontering av ett spindelsilkesfiberprotein.

De är lätta, nästan osynlig, mycket töjbar och stark, och naturligtvis biologiskt nedbrytbar:trådarna spindlar använder för att bygga sina nät. Faktiskt, spindelsilke är bland de tuffaste fibrerna i naturen. Baserat på sin låga vikt ersätter den till och med högteknologiska trådar som Kevlar eller Carbon. Dess unika kombination av styrka och töjbarhet gör den särskilt attraktiv för industrin. Oavsett om det är inom flygindustrin, textilindustrin, eller medicin – potentiella tillämpningar av detta magnifika material är många.

Sedan lång tid har materialforskare fortsatt att försöka reproducera fibern i laboratoriet, men med begränsad framgång. I dag, det är möjligt att tillverka artificiellt spindelsilke med liknande egenskaper som prototypen, men de strukturella detaljerna på molekylnivå som ansvarar för materialegenskaper väntar på att avslöjas. Nu, forskare från Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) levererade nya insikter. Dr Hannes Neuweiler, lektor vid Institutet för bioteknik och biofysik vid JMU, är ansvarig för detta projekt. Hans resultat publiceras i den vetenskapliga tidskriften Naturkommunikation .

En molekylär klämma förbinder proteinbyggstenar

"Silkesfibrerna består av proteinbyggstenar, så kallade spidroins, som är sammansatta av spindlar i deras snurrande körtel, " förklarar Neuweiler. De terminala ändarna av byggstenar tar speciella roller i denna process. De två ändarna av en spidroin avslutas av en N- och en C-terminal domän.

Domänerna i båda ändar förbinder proteinbyggstenar. I föreliggande studie, Neuweiler och kollegor tog en närmare titt på C-terminal-domänen. Den C-terminala domänen förbinder två spidroiner genom bildandet av en sammanflätad struktur som liknar en molekylär klämma. Neuweiler beskriver det centrala resultatet av studien:"Vi observerade att klämman självmonteras i två diskreta steg. Medan det första steget omfattar sammanslutning av två kedjeändar, det andra steget involverar vikning av labila helixar i domänens periferi."

Denna tvåstegsprocess med självmontering var tidigare okänd och kan bidra till töjbarheten av spindelsilke. Det är känt att sträckning av spindelsilke är förknippad med utveckning av spiralen. Tidigare arbete, dock, spårade töjbarheten tillbaka till utvecklingen av spiraler i det centrala segmentet av spidroins. "Vi föreslår att C-terminal-domänen också kan fungera som en modul som bidrar till utökbarhet", förklarar Neuweiler.

Assisterande materialvetenskap

I sin studie undersökte Neuweiler och hans medarbetare proteinbyggstenar i barnkammarens nätspindel Euprosthenops australis. De använde genteknik för att utbyta enskilda delar av byggstenar och modifierade proteinet kemiskt med fluorescerande färgämnen. Till sist, interaktionen av ljus med lösliga proteiner visade att domänen sätts samman i två diskreta steg.

Neuweiler beskriver resultatet som "ett bidrag till vår förståelse av struktur på molekylär nivå, sammansättning och mekaniska egenskaper hos spindelsilke." Det kan hjälpa materialforskare att reproducera naturligt spindelsilke i laboratoriet. För närvarande, modifierade och syntetiska spidroiner används för detta ändamål. "Skulle C-terminaldomänen bidra till trådens flexibilitet, materialforskare kan modulera fiberns mekaniska egenskaper genom modulering av den C-terminala domänen, " säger Neuweiler.