Felderítették a selyemszál készítésének legfontosabb fázisát

Ötször nagyobb szakítószilárdsággal rendelkezik, mint a vas, háromszor szilárdabb, mint napjaink legjobb szintetikus vegyi szálai: a pókselyem egy elbűvölő anyag. Ám eddig senkinek sem sikerült mesterségesen előállítania a szuperszálat. Hogy hogyan képes a pók a selyemmirigyeiben tárolt pókselyemproteinekből a másodperc törtrésze alatt hosszú, nagy stabilitású, ugyanakkor elasztikus szálat készíteni? Nos, erre a titokra sikerült fény derítenie egy német kutatócsoportnak. 

„A természetes pókselyem nagy rugalmasságát és extrém szakítószilárdságát még tiszta pókselyemprotein felhasználásával sem sikerült eddig mesterségesen előállítani” - mondja Horst Kessler, a Müncheni Műszaki Egyetem professzora.

Úton a mesterséges pókselyem felé
A stabil pókselyem mesterséges előállításának kulcskérdése nem lehet más, mint az, hogy hogyan képes a pók a mirigyeiben lévő nyersanyagot magas koncentrációban, folyamatosan bevetésre készen tárolni úgy, hogy abból szükség esetén a másodperc töredéke alatt tökéletes szálat tudjon készíteni. Thomas Scheibel, a Bayreuth Egyetem professzora sok éve ezt a rejtélyt kutatja.

A pókselyem szálai több ezer aminosavból álló hosszú láncú fehérjéből állnak. A röntgenes anyagvizsgálatok azt mutatják, hogy a kész szálakban találhatók olyan régiók, amelyekben a fehérjék fizikailag kapcsolódnak egymáshoz, így stabil szerkezetet képesek kialakítani. Ugyanakkor találhatók olyan részek is, ahol a fehérjék között nem jön létre stabil kötés - ez biztosítja a rugalmasságot.  

Selyemproteinek - a bevetésre várva
A selyemmirigyekben egészen más viszonyok uralkodnak: nedves környezetben, magas koncentrációban táboroznak a proteinek. A szilárd keresztkötésért felelős részek nem kerülhetnek egymáshoz túl közel, mert a fehérjék egy pillanat alatt összecsomósodnának.

Pókfonál (© John Hardy / Universität Bayreuth)

A kutatók a vizsgálatok eszközéül először a röntgenes szerkezetvizsgálatot választották. A módszer, mely kristályok vizsgálatára hivatott, más területeken mutatott kiváló eredményeinek ellenére ebben az esetben használhatatlannak bizonyult: a pókselyem létrejötte során minden folyamat – ezzel minden talány - lejátszódik addig, mire a szilárd szál kialakul. Egy másik eljárás, a mágneses magrezonancia (NMR) vizsgálat azonban megfelelt a támasztott igényeknek. A bajor NMR központ eszközein Franz Hagn biokémikusnak, a Kessler féle kutatócsoport egyik tagjának, sikerült egy olyan szabályozó elem szerkezetét feltérképezni, ami a szilárd szál képződéséért felelős. Sőt, Scheibel professzorral együttműködve sikerült fényt deríteni a szabályozásért felelős elem működésére is.

A láncok kötődésének megakadályozása
A keresztkötések a pókfonál szerkezetének stabilitásáért és megfelelő szilárdságáért felelősek. Fontos azonban, hogy ezek a kötések csak akkor alakuljanak ki, amikor a pókfonál a szövőszemölcs belsejéből kijutott, egyébként a fehérjeszálak idő előtt megszilárdulnának és akadályoznák a kijutást. A kutatócsoport szerint ez a folyamat a következő módon zajlik le:

„A selyemmirigy passzív állapotában a két szabályozó része mindig úgy lép kapcsolatba egymással, hogy a két lánc keresztkötésért felelős részei ne lehessenek párhuzamosak” – állítja Scheibel.
Így a két lánc nem kötődik egymással.” A fehérjeláncok ekkor úgy rendeződnek össze, hogy poláris részeik a láncon kívülre, a víztaszító részeik a láncon belülre kerüljenek, ami biztosítja a nedves környezetben való megfelelő oldhatóságot. (A poláris részen koncentráltan felhalmozott vízmolekulák védik a proteineket annak érdekében, hogy a fehérje ne csapódhasson ki, hiszen az funkcióvesztést okozna.)

Az így megóvott proteinek a selyemcsatornába kerülve teljesen más sókoncentrációval és sóösszetétellel találják szemben magukat. A szabályozó domén két sóhídja ennek következtében instabillá válik, így a lánc kibontakozhat - anélkül, hogy összegabalyodna. A szűk selyemcsatornában történő áramlás miatt ugyanakkor nagy nyírófeszültség keletkezik. A hosszú fehérjeláncok ekkor már egymásra párhuzamosan helyezkednek el, és a keresztkötésért felelős részek is egymás közvetlen közelébe kerülnek. „Ezzel stabil pókselyem szál keletkezik” – mondja a kutató.

Nagy jelentőségű molekuláris kapcsolók  
„Az eredményeink igazolták, hogy az általunk felfedezett molekuláris kapcsoló a fehérje lánc C terminális végén a biztonságos tárolásban és a szálképződés folyamatára nézve is meghatározó jelentőséggel bír.” E felfedezés fontos alapjául szolgált az az együttműködés, melyet Scheibel professzor csapata a Müncheni Egyetem fizika tanszékének vezetőjével, Andreas Bausch professzorral végzett, aki egy mesterséges selyemcsatorna kifejlesztésével járult hozzá a tudományos sikerhez.

A mesterséges pókselyemből készült fonál (© John Hardy / Universität Bayreuth)

A megszerzett ismeretanyag birtokában, illetve az iparral folytatandó szoros együttműködést szorgalmazva a kutatók célja nem más, mint egy mesterséges, ún. biomimetikus selyemszövő megalkotása. A felhasználási területek és lehetőségek sora végtelen…

Forrás: www.scinexx.de

Varga Balázs
Páhi Zoltán kutatóbiológus