Geny pająka – przełom w biomateriałach

 

Doktor habilitowany UMBC (University of Maryland, Baltimore County), Sarah Stellwagen i współautor Rebecca Renberg z Army Research Lab, opublikowały pierwsze w historii kompletne sekwencje dwóch genów, które pozwalają pająkom wytwarzać klej – lepką, zmodyfikowaną wersję jedwabiu, który utrzymuje ofiarę pająka w jego sieci. Odkrycia pojawiły się w Genes, Genomes, Genetics. Zastosowana przez nie innowacyjna metoda może utorować drogę do sekwencjonowania większej liczby genów jedwabiu i kleju, które jest wyjątkowo trudne ze względu na ich długość i powtarzalną strukturę. Lepsze zrozumienie tych genów może przybliżyć naukowców do kolejnego wielkiego postępu w poznaniu biomateriałów.

Lepkie rozwiązania

Pajęczy jedwab jest od lat reklamowany jako kolejny wielki cel w dziedzinie  biomateriałów, a to ze względu na jego niezwykłą wytrzymałość na rozciąganie w połączeniu z elastycznością.

Istnieje ponad 45 000 znanych gatunków pająków, z których każdy wytwarza od jednego do siedmiu rodzajów jedwabiu. Jednak pomimo wielu częściowych sekwencji dalej mało wiadomo na temat pełnej struktury genetycznej jedwabiu pająka: zsekwencjonowano tylko około 20 kompletnych genów. „Dwadzieścia genów jest niczym w porównaniu z tym, co tam jest” – mówi Stellwagen. Ponadto jedwab pająka okazał się trudny do wyprodukowania w dużych ilościach. Pająki przekształcają płynny jedwab w stałe, wrzecionowate włókna w złożonym procesie wewnątrz ich ciał. Naukowcy są już w stanie wytworzyć tę ciecz, ale „nie potrafią powtórzyć procesu przejścia cieczy w ciało stałe na dużą skalę przemysłową”, mówi Stellwagen. Klej pająka jest bowiem cieczą działająca zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz pająka. Chociaż klej „ma swoje własne wyzwania”, mówi Stellwagen, różnica ta może bardziej ułatwić wytwarzanie kleju pająka w laboratorium aniżeli jedwabiu.

Stellwagen dostrzega ogromny potencjał aplikacji klejów pajęczych jako organicznej kontroli szkodników. W końcu mówi: „Te rzeczy ewoluowały, by chwytać owady jako zdobycz”.Na przykład rolnicy mogą natryskiwać klej np. wzdłuż ścian budynków gospodarskich by chronić swoje zwierzęta przed owadami, które gryzą lub powodują u nich choroby, a następnie spłukać je, nie martwiąc się o zanieczyszczenie dróg wodnych niebezpiecznymi pestycydami. Mogą używać kleju w podobny sposób, aby chronić uprawy przed szkodnikami, czy stosować w obszarach, w których występują choroby przenoszone przez komary. „Zastosowanie może być różnorodne” – mówi Stellwagen.

„Behemot genu”

Przed badaniami Stellwagen i Renberg, finansowanymi przez Army Research Lab, najdłuższy zsekwencjonowany gen jedwabiu miał około 20 000 par zasad.

Kiedy rozpoczęły one ten projekt, Stellwagen spodziewała się, że szybko zsekwencjonuje geny kleju, a następnie ruszy dalej, bazując na tym, czego nauczy się z tej sekwencji.

Jednak zajęło to jej i Renberg dwa lata, by sfinalizować sekwencję. „Ostatecznie był to gigant genu, który jest ponad dwa razy większy niż poprzedni największy gen pajęczego jedwabiu” – mówi Stellwagen. To była długa, trudna droga do dnia, w którym znalazła Renberg w laboratorium i wreszcie powiedziała: „Myślę, że nasz gen ma 42 000 zasad i myślę, że już go ukończyłyśmy”. Istniało bowiem ryzyko zastosowania najnowocześniejszej techniki, która ostatecznie dała jednak pełną sekwencję. Gen był nie tylko wyjątkowo długi, ale podobnie jak geny jedwabiu pająka, ma wiele powtórzeń tej samej sekwencji zasad – A, T, G i C – w środku.

Nowoczesne techniki sekwencjonowania (zwane „sekwencjonowaniem nowej generacji”) działają poprzez generowanie sekwencji DNA dla wszystkich genów organizmu, ale są one pocięte na małe kawałki. Następnie, podobnie jak w przypadku układanki, naukowcy muszą dopasować nakładające się końce krótkich odcinków, aby ustalić całą sekwencję. Jeśli jednak gen jest powtarzalny, potrzebna jest pojedyncza sekwencja lub „odczyt”, który rozciąga się od regionu przed powtórzeniem do jego końca, by wiedzieć ile jest powtórzeń.

Jeśli powtarzająca się sekcja jest długa, tak jak w przypadku genów kleju, które badali Stellwagen i Renberg, szansa na przeczytanie potrzebnych metod metodami nowej generacji jest niewielka. Na szczęście dostępne są teraz techniki sekwencjonowania „trzeciej generacji”. Sekwencjonowanie trzeciej generacji generuje wprawdzie dłuższe odczyty, ale jest ich mniej. Tylko powtarzając eksperyment kilkakrotnie jest szansa na odczyt, który jest potrzebny by określić liczbę powtórzeń i ostatecznie zdefiniować całą sekwencję genu. „To szukanie igły w stogu siana”. Ale zadziałało. Po dwóch latach korzystania z komputera i braku pozytywnych wyników Stellwagen i Renberg w końcu otrzymali materiał potrzebny do zdefiniowania sekwencji całego genu.

Stellwagen już myśli o przyszłości. „Teraz, gdy mamy protokół do odkrywania pełnej długości genów pajęczego jedwabiu, to ciekawa jestem jak wyglądają jedwabie innych gatunków? Jestem bardzo podekscytowana, że udało mi się w złożyć te tak trudne puzzle” – mówi Stellwagen. Było to bowiem o wiele większe wyzwanie, niż się spodziewała:  

University of Maryland Baltimore County