Рекомбинантный паучий шёлк

Каркасная нить паука — эталонный материал: вязкая, растяжимая, спрядённая при комнатной температуре и давлении из водного сырья. Разводить пауков нельзя — кругопряды территориальны и склонны к каннибализму, — поэтому получать нить означает получать белок в микробе. Устойчивый урок этой области в том, что материалом является не белок сам по себе.

Что представляет собой белок

Каркасная нить построена из спидроинов — очень крупных белков, как правило заметно больше 200 кДа, с сильно повторяющейся сердцевиной и короткими неповторяющимися N- и C-концевыми доменами. В сердцевине чередуются мотивы двух типов: полиаланиновые блоки, укладывающиеся в β-складчатые нанокристаллы, и богатые глицином блоки, остающиеся неупорядоченными. Механический результат — композит на нанометровом масштабе: жёсткие кристаллиты несут нагрузку внутри податливой матрицы, дающей растяжимость. Прочность следует за ориентацией кристаллитов и, что важно, за длиной цепи: короткие цепи дают меньше зацеплений, связывающих кристаллиты, и волокно рвётся раньше.

Концевые домены — не украшение, а переключатель. C-концевой домен удерживает белок растворимым при высокой концентрации и димеризуется; N-концевой чувствителен к pH и запускает сборку по мере изменения условий вдоль канала.

Прядильный канал и есть реактор

В железе спидроин хранится в очень высокой концентрации как жидкокристаллическая прядильная масса и при этом не агрегирует. По ходу канала одновременно меняются три вещи: падает pH (обмен CO₂ и активная закачка протонов), идёт ионный обмен — натрий и хлорид наружу, калий и фосфат внутрь, — а сужающаяся геометрия создаёт продольный сдвиг. Подкисление заставляет N-концевые домены сцепить цепи, ионный обмен высаливает богатые глицином участки, сдвиг выстраивает сборку вдоль оси волокна. Затем отводится вода. Сборка, таким образом, стадийна и направленна, а не является актом осаждения.

Промышленные маршруты воспроизводят это лишь частично: белок растворяют в прядильную массу, продавливают через фильеру в осадительную ванну и в несколько стадий вытягивают, принудительно выстраивая цепи. Пост-вытяжка делает большую часть той работы, которую иначе выполнил бы канал.

Почему микробы сопротивляются

Проблема — сам ген спидроина. Длинные, сильно повторяющиеся, богатые GC последовательности рекомбинируют в бактериальном хозяине, и конструкции укорачиваются; а трансляция белка, состоящего преимущественно из аланина и глицина, истощает соответствующие заряженные тРНК и останавливает рибосому. Практическое следствие: рекомбинантные спидроины обычно много короче природных, — а поскольку прочность зависит от длины цепи, этот недобор механический, а не косметический. Дизайн кодонов, диверсификация повторов, дополнительная подача тРНК и альтернативные хозяева, включая дрожжи и трансгенного тутового шелкопряда, бьют в одно и то же узкое место.

Как честно читать цифры

Публикуемые значения прочности рекомбинантных волокон сильно разнятся, и сравнивать их нужно осторожно: измеренные прочность и вязкость разрушения для любого шёлка зависят от базовой длины образца, скорости деформации и влажности, а единой конвенции кондиционирования в литературе нет. Волокно, заявленное как сравнявшееся с природной каркасной нитью, могло испытываться в условиях, в которых природный образец сравнения не испытывали. Безопасная формулировка: инженерные волокна приближались к природному механическому поведению в отдельных испытаниях, а воспроизведение этого в виде массового, стабильного, высокопроизводительного продукта остаётся нерешённым.

Шёлк к тому же суперконтрактирует: каркасная нить садится и размягчается при увлажнении, и любое применение обязано это учитывать.