Kad pauka netko sruši sa zida, njegov pad ne traje dugo. U nekoliko milisekundi od proteinske mješavine isprede pouzdano uže za penjanje pa se uz pomoć tanke, sjajne svilene niti povuče natrag. Ta je nit izdržljivija od kevlara i čvršća od čelika. Elastična je i biokompatibilna s ljudskim tijelom. Znanstvenici sanjaju o tome da jednog dana od paukove svile izrađuju posebne materijale za sigurnosne pojaseve, kacige, potrebe ratne mornarice, pa čak i obnovu moždanih stanica. No pokušaji laboratorijske proizvodnje paukove svile dosad nisu uspjeli jer istraživači još ne znaju dovoljno o tome kako pauk od „svilene otopine” u svojim žlijezdama, tekuće mješavine proteina, vode i soli, stvara čvrste niti.
Razjašnjavanje molekularnih mehanizama tog procesa jedan je od ključnih ciljeva u ovom području, kaže Gregory Holland, kemičar sa Sveučilišta San Diego State. Nedavno je vodio istraživanje u kojem je opisano kako se molekule tekuće sirovine za svilu preustrojavaju u polutekuće kapljice nazvane kondenzati prije nego što se pretvore u čvrste svilene niti. To istraživanje pruža uvid u paukovu „tvornicu svile” na atomskoj razini.
Rezultati ujedno daju praktične smjernice za stvaranje kondenzata, kojima se priroda često služi za organiziranje molekula u genetičkim procesima i pri stvaranju iznimno čvrstih bioloških materijala. „Sve je jasnije da je stvaranje kondenzata opća strategija kojom se služe mnogi različiti organizmi”, kaže Matthew Harrington, istraživač bioloških materijala sa Sveučilišta McGill, koji nije sudjelovao u novom istraživanju.
Otkrivajući kako priroda upotrebljava kondenzate, istraživači se nadaju da će uspjeti reproducirati njezine najotpornije materijale.
Minijaturne tvornice svile
Pauci su nevjerojatne prirodne tvornice. Mogu presti do sedam vrsta svile, a pojedini pauk često proizvodi više njih. Aciniformna svila služi za omatanje kukaca koje će pauk poslije pojesti. Flageliformna svila tvori spiralne niti mreže i omogućuje joj bolje ublažavanje udaraca. Nosiva svila, poznata kao dragline, pričvršćuje mrežu i pauka za predmete poput zidova. Svaka vrsta svile ima drukčija svojstva, ovisno o vrsti pauka, a ta su svojstva povezana s građom molekula. Čak i ista vrsta svile može imati nešto drukčija svojstva kada je proizvode različite vrste pauka.
Znanstvenici su 1907. otkrili da se paukova nit sastoji od dugih, modularno građenih proteina, poslije nazvanih spidroinima, koji pripadaju istoj skupini vlaknastih proteina kao kolagen i keratin. Više od pola stoljeća kasnije rendgenske zrake počele su otkrivati temeljna strukturna obilježja tih vlakana. Nit se sastoji od ravnih proteinskih ploča, takozvanih beta-ploča, uronjenih u manje uređenu, nekristalnu matricu.
Kad su početkom 2000-ih istraživači počeli proučavati spidroine u otopini, nisu uočili uređene, stabilne strukture kakve ima većina proteina. Umjesto toga, spidroini su imali intrinzično neuređene regije koje su se gibale, poprimale različite oblike i ponovno preslagivale. Istraživači su tada počeli „odmotavati” zagonetku kako se ta „juha” neuređenih proteina može organizirati u čvrste, otporne niti.
Prema jednoj od ranih teorija, proteini u mješavini međusobno se poravnavaju kao u kristalu, ali pritom ostaju pokretljivi, u prijelaznom stanju poznatom kao tekući kristal. Prema drugoj teoriji, paukova svila nalikuje svili dudova svilca, u kojoj se proteini organiziraju u micele, odnosno sitne kuglice, koje se zatim zbijaju u svilene niti.
Istraživači su potom 2007. primijetili da laboratorijski proizvedeni spidroini stvaraju kapljice nalik tekućini.
Takve su strukture ubrzo postale nezaobilazna tema suvremene biologije. Istraživači iz Morskog biološkog laboratorija u Massachusettsu i njemačkog Instituta Max Planck 2009. su u oplođenim jajnim stanicama crva otkrili kapljice sastavljene od nakupina molekula RNK. Bili su to kondenzati, mjehurići nalik tekućini ili gelu koji sadrže visoke koncentracije proteina i lebde u otopini. Iako ih znanstvenici promatraju već više od stoljeća, tek su ih u novije vrijeme počeli smatrati ključnim načinom organizacije molekularnih procesa u živim organizmima.
Istraživači su shvatili da kondenzati koncentriraju molekule i unaprijed ih organiziraju u prilagodljivom mikrookruženju, a da ih pritom ne učvrste u krutu tvar. „Budući da su tekući, mogu se oblikovati, pa im biološki sustavi mogu dati gotovo bilo koji oblik”, kaže Harrington.
Daljnja su istraživanja pokazala da se žive stanice posvuda služe kondenzatima: za organiziranje DNK, regulaciju ekspresije gena i pakiranje proteina. Na makroskopskoj razini pomažu različitim vrstama u izgradnji zanimljivih materijala. Sudjeluju u oblikovanju kljuna lignje, čiji dijelovi postupno postaju sve krući. Tvore snažna ljepila kojima se školjkaši pričvršćuju za stijene, kao i morsko ljepilo kojim se služe crvi koji grade pješčane kule. „To je iznimno uzbudljivo područje biologije”, kaže Holland.
Iako su istraživači kapljice u laboratorijski proizvedenim spidroinima opisali više od desetljeća ranije, nisu ih smatrali kondenzatima sve do 2020. Tada je Keiji Numata, kemičar specijaliziran za biomaterijale sa Sveučilišta u Kyotu, predložio da paukova svila pri prijelazu iz tekuće otopine u čvrstu nit prolazi kroz fazu kondenzata.
Kondenzati nastaju takozvanim „razdvajanjem faza tekućina–tekućina”. Pritom molekule u tekućini mogu međusobno slabo djelovati, lako stvarajući i raskidajući veze pod utjecajem podražaja poput promjena pH-vrijednosti, kemijskog sastava ili temperature. Numata je pretpostavio da te interakcije može pokrenuti fosfat prisutan u ampuli, središnjem dijelu paukovih svilenih žlijezda. No nitko nije opisao mehanizme koji time upravljaju na atomskoj razini sve dok Hannah Johnson, tada doktorandica u Hollandovu laboratoriju, nije odlučila istražiti tu zagonetku.
U unutrašnjosti crne udovice
Tijekom 2023. i 2024. na kemijski odsjek Sveučilišta San Diego State svakih je nekoliko mjeseci stizao paket ženki crne udovice. Ti pauci, crni poput ugljena s malo crvenih oznaka, proizvode snažan otrov koji kod ljudi može izazvati vrlo jaku bol. Zanemarimo li tu malu neugodnost, izvrsni su za proučavanje paukove svile. Spidroini u njihovoj nosivoj svili među najtemeljitije su opisanim proteinima te vrste kod pauka. Osim toga, dostupni su tijekom cijele godine, za razliku od drugih pauka koji mreže pletu samo sezonski.
Johnson i kolege nosili su dva para zaštitnih rukavica dok su prikupljali svilu crnih udovica omamljenih ugljikovim dioksidom. Pincetom su pažljivo izvlačili svilenu nit iz paukovih predljivih bradavica, otvora na zatku iz kojih izlaze niti, a zatim je namatali na bočicu pričvršćenu na rotirajući motor.
„Najdraži su nam pauci koji daju mnogo svile, ali slaba sam na buntovnike koji ne žele surađivati”
– kaže Johnson. Tijekom postupka istraživači su crne udovice hranili koktelom aminokiselina obogaćenim posebnim izotopima.
Johnson je nuklearnom magnetskom rezonancijom proučavala tekuću paukovu svilu i kondenzate prikupljene iz paukovih ampula. Za to je vrijeme Kevin Chalek, tada poslijedoktorand u Hollandovu laboratoriju, a danas zaposlenik Kalifornijskog sveučilišta, mapirao atomsku strukturu proteina u čvrstoj niti. „Pokušavali smo povezati ponašanje proteina unutar pauka s njihovim ponašanjem izvan njega. Riječ je o istim proteinima, kako mogu biti toliko različiti? I što se točno događa između tih dvaju stanja?”, pitao se Chalek.
Johnson je primijetila da su nakon dodavanja fosfata tekućoj otopini svile radi pokretanja kondenzacije bočne skupine dviju aminokiselina, arginina i tirozina, u intrinzično neuređenim regijama spidroina počele slabo međusobno djelovati. Ta je interakcija istisnula vodu i organizirala neuređene proteine u gušću tvar nalik gelu, odnosno kondenzat. Interakcija je opstala i u čvrstoj niti, što upućuje na to da aminokiseline djeluju kao „molekularno ljepilo” koje neuređene proteine povezuje u kondenzate, a naposljetku i u niti.
Ostali članovi istraživačke skupine upotrijebili su AlphaFold, alat umjetne inteligencije za modeliranje proteinskih struktura, i softver za molekularnu dinamiku kako bi računalno simulirali taj proces. Istraživači znaju da čvrstoća paukove svile potječe od snažnih proteinskih struktura beta-ploča u konačnoj niti.
Simulacije su pokazale da se spomenute aminokiseline nižu upravo duž pregiba beta-ploča, što upućuje na to da pomažu usmjeriti spidroine prema njihovoj konačnoj strukturi.
„Fantastično je razumjeti kako te bočne skupine međusobno djeluju i kako mogu stvoriti strukturu koja je više od zbroja pojedinih dijelova”, kaže Chris Holland, biolog sa Sveučilišta u Sheffieldu, koji nije sudjelovao u istraživanju. Rezultati pružaju izravan dokaz da kondenzati mogu nastati i iz prirodne svile, što je vrlo važno, dodaje Daiwen Yang, biolog s Nacionalnog sveučilišta u Singapuru, koji također nije sudjelovao u istraživanju.
Opis kondenzata ne isključuje točnost ranijih teorija o nastanku paukove svile. Gregory Holland, koji je prethodno dokazao prisutnost micela u prirodnoj paukovoj svili, smatra da bi sva tri čimbenika, micele, kondenzati i tekući kristali, mogla biti dio istog faznog prijelaza. Micele koje nastaju u tekućoj otopini sprječavaju zgrušavanje i zaplitanje neuređenih proteina. Proteini se mogu najprije povezati u kondenzate ili posložiti u strukture nalik tekućim kristalima prije nego što iz predljivih bradavica izađu kao iznimno uređene niti. No stvarni je proces vjerojatno „dinamičniji i heterogeniji” od niza uzastopnih koraka, kaže Gregory Holland, jer se nekoliko tih struktura može istodobno stvarati u mješavini. Harrington se slaže. „Ne mislim da se međusobno isključuju”, kaže. „Moguće je da se u različitim fazama obrade odvijaju različite vrste faznih prijelaza.”
Ipak, sigurno je da još mnogo toga treba otkriti o tome kako te interakcije zajednički djeluju na toj „proizvodnoj liniji”. Vjerojatno postoje i druge važne interakcije aminokiselina koje istraživači još nisu uspjeli detaljno razjasniti. Traže i druge okidače koji, uz fosfat, sudjeluju u pokretanju procesa. „Moguće je da još nekoliko čimbenika pridonosi strukturnim promjenama tih proteina”, rekao je Chris Holland. „Još ne poznajemo sve prekidače.”
Vrhunski materijali
Potpuno razjašnjavanje složenog procesa predenja svile zahtijeva velik trud, ali korist bi mogla biti golema. Pauci proizvode male količine upotrebljive svile u usporedbi s dudovim svilcima, koji se zbog svojih čahura uzgajaju već više od 4.000 godina. Za izradu jedne svilene košulje potrebno je nekoliko tisuća dudovih svilaca, dok bi za isto trebalo otprilike milijun pauka, djelomično zato što ne stvaraju čahure koje bismo mogli lako preraditi. Postoji i praktičniji razlog: pauke je zbog njihove kanibalističke prirode teško uzgajati jer ih treba držati odvojeno.
Laboratorijska proizvodnja paukove svile mogla bi donijeti cijeli niz novih materijala koji su istodobno čvrsti i elastični. Proizvodnja kevlara, sintetičkog vlakna koje je trenutačno naš najčvršći materijal, zahtijeva vrlo visoke temperature i kiselo okruženje. „A onda imamo organizam poput pauka ili školjkaša koji sasvim prirodno proizvodi vrhunski materijal na temperaturi okoliša, u morskoj vodi ili jednostavno na zraku”, kaže Harrington.
Znanstvenici još nisu otkrili kako oponašati te organizme. Kad u laboratoriju sintetiziraju paukovu svilu koristeći točan slijed aminokiselina za izgradnju spidroina, dobivena nit nije jednako čvrsta kao prirodna paukova svila. „Ondje se događa nešto što teško uspijevamo oponašati”, rekao je Chalek. Smatra da dodatnoj čvrstoći, uz strukturu beta-ploča u proteinu, pridonosi još nešto što proizlazi iz drugih obilježja građe svile ili možda iz dijelova spidroina koji se zasad izostavljaju iz sintetičkih otopina svile. Kako kaže Chris Holland:
„Kad jednom doista razumijemo te recepte, moći ćemo iz svile izvući još više.”
