Spidroin - Spidroin - Wikipedia

Spidroin, N-terminál
Identifikátory
SymbolSpidroin_N
PfamPF16763
InterProIPR031913
KOCOUR2 lpj
Spidroin, C-terminál
Identifikátory
SymbolSpidroin_MaSp
PfamPF11260
InterProIPR021001
KOCOUR2m0m
Spidroin-1
Identifikátory
OrganismusNephila clavipes
Symbol?
UniProtP19837
Spidroin-2
Identifikátory
OrganismusNephila clavipes
Symbol?
UniProtP46804
Schéma struktury spidroinu

Spidroiny jsou hlavní bílkoviny v pavoučí hedvábí. Různé druhy pavoučího hedvábí obsahují různé spidroiny, z nichž všechny jsou členy jediného rodina bílkovin.[1] Nejvíce zkoumaným typem spidroinů jsou hlavní proteiny hedvábného hedvábí (MaSp) používané při konstrukci hedvábného hedvábí, nejsilnějšího typu hedvábného hedvábí. Hedvábné vlákno Dragline se skládá ze dvou typů spidroinů, spidroinu-1 (MaSp1) a spidroinu-2 (MaSp2).[2][3]

Spidroin je součástí velké skupiny bílkovin zvaných skleroproteiny. Tato skupina zahrnuje další nerozpustné strukturní proteiny, jako jsou kolagen a keratin.

Vlákno spidroinu dragline je stejně silné a odolné jako jedno z oceli, ale je pružnější. Lze jej natáhnout na přibližně 135% původní délky bez přetržení. Jeho vlastnosti z něj činí vynikajícího kandidáta pro použití v různých vědeckých oborech.[4]

Struktura

Hlavní ampulátové spidroiny jsou velké proteiny s prodloužením 250 - 350 kDa, s průměrem 3 500 aminokyselin. Představují polymerní organizaci, většinou založenou na vysoce homogenizované tandemové opakování. Existuje 100 tandemových kopií 30 až 40 aminokyselin, které opakují sekvenci a představují více než 90% proteinové sekvence.[5] Alanin a glycinové zbytky jsou nejhojnější. Alanin se objevuje v blocích šesti až čtrnácti jednotek, které se tvoří β-listy. Tyto alaninové bloky se mohou skládat a vytvářet krystalické struktury ve vlákně, které spojují různé molekuly proteinu dohromady. Glycin je přítomen v různých motivech, jako jsou GGX a GPGXX (kde X = A, L, Q nebo Y), které mají také specifické sekundární struktury (3 10 šroubovice a β-spirála). Regiony bohaté na glyciny jsou více amorfní a přispívají k rozšiřitelnosti a flexibilitě. Některé z rozdílů pozorovaných mezi spidroinem 1 a spidroinem 2 (nejdůležitějšími hlavními ampulátovými spidroiny) jsou obsah prolinů, který je u prvního velmi nízký, u druhého však významný a motivy. Motiv (GGX) n je charakteristický pro spidroin 1, zatímco GPG a QQ jsou typické pro spidroin 2.

Na druhé straně mají spidroiny neopakující se amino (N) a karboxylové (C) terminální domény přibližně 150, respektive 100 aminokyselin. N- a C-terminální domény sdílejí malou podobnost, až na to, že jsou obě bohaté na serin a obě jsou do značné míry amfipatické α-helikální sekundární struktury. Tyto domény jsou konzervovány nejen mezi spidroinem 1 a 2, ale také mezi mnoha druhy hedvábí a druhy pavouků. Experimentální data ukazují, že N- a C-terminální domény přispívají k sestavování vláken.[6] The C-koncová doména se podílí na organizovaném přechodu z rozpustného roztoku spidroinu na nerozpustnou vlákninu během zvlákňování.[7] V N-terminální doména existují signální peptidy, které regulují sekreci spidroinu z buněk hedvábné žlázy.[8][9]

Biologická funkce

Jednotlivé pavouky točí velké množství druhů hedvábí, přičemž každý typ vychází ze své vlastní charakteristické sady břišního hedvábí žlázy. Toto složité hedvábné strojní zařízení umožňuje pavoukům používat hedvábí specifické pro daný úkol (např. Pro sestavení webu, konstrukci pouzdra na vejce, balení kořisti atd.).[9] Různé druhy hedvábí (hlavní hedvábné hedvábí, malé hedvábné hedvábí, bičíkové hedvábí, aciniformní hedvábí, tubiliformní hedvábí, pyriformové hedvábí a agregátní hedvábí)[10] jsou složeny z různých typů proteinů.

Dragline hedvábí je tvořeno hlavně spidroinovými proteiny. Je to typ hlavního ampulového hedvábí a vyrábí se v hlavní ampulové žláze. Dragline hedvábí se používá nejen ke konstrukci vnějšího rámu a poloměrů koule ve tvaru koule, ale také jako závěsné záchranné lano, které umožňuje pavoukovi uniknout a / nebo uniknout před predátory.[11] Hlavní ampulová žláza, která produkuje toto hedvábí, je tvořena třemi hlavními částmi: centrální vak (zóna B) ohraničený ocasem (zóna A) a potrubí směřující k východu. Ocas vylučuje většinu „zvlákňovací drogy“, což je roztok, který obsahuje proteinové molekuly, které budou tvořit hedvábné vlákno. Vak je hlavním úložištěm.

The epitel zóny A se skládá z vysokých sloupců sekrečních buněk jednoho typu, naplněných sekrečními granulemi. Hlavní složkou těchto buněk, které vylučují roztok fibroinu, je protein 275 kDa obsahující polypeptidy spidroin I a spidroin II. Produkcí těchto buněk je vodný a vysoce viskózní roztok asi 50% bílkovin (většinou spidroinu). Vylučovaný produkt tvoří hedvábné vlákno, hlavní strukturu.

Tato vysoce viskózní proteinová emulze proudí do zóny B, kde je pokryta glykoproteiny. Po výstupu z tohoto vaku je kapalina přivedena do úzkého potrubí. Jak se roztok želatinové bílkoviny přesouvá do potrubí, nedílné spidroiny a glykoproteiny se postupně zkreslují do dlouhých, tenkých, vyrovnaných obrazců se směrem toku. Poté jsou roztaženy a seřazeny způsobem, který jim nakonec umožní vytvořit silné mezimolekulární vazby. Po různých procesech se hedvábí v zvlákňovacím kanálu roztahuje a vytváří extrémně tuhý materiál vlákno.

Průmyslové a biomedicínské aplikace

V posledním desetiletí bylo provedeno mnoho výzkumů o proteinu spidroinu a pavoučím hedvábí, aby bylo možné využít některé z jeho vlastností, jako je jeho pružnost a pevnost. Pavoučí hedvábí se používá v různých průmyslových odvětvích a jeho rozsah aplikací v biomedicíně se každým dnem zvyšuje. Například vojenský a obranný průmysl používá neprůstřelné vesty vyrobené z těchto vláken.

Rekombinantní spidroin byl úspěšně získán jak v eukaryotických, tak v prokaryotických buňkách, ačkoli v postupu byly určité potíže kvůli délce genové sekvence. Díky expresi a klonovacím pracím je možné získat velkovýrobu spidroinu, která poskytuje nové příležitosti pro výrobu nových biomateriálů.[12] Byly provedeny pokusy o generování transgenních rostlin tabáku a brambor, které exprimují pozoruhodné množství rekombinantních dragline proteinů Nephila clavipes.[13]

Kromě toho jsou vlákna vyvinutá ze spidroinu tolerována in vitro, v buněčná kultura, a in vivo, u zvířat, jako jsou prasata, žádné známky ani jednoho z nich zánětlivá reakce na tyto vlákna nebyla prokázána ani reakce těla. Tyto výsledky naznačují, že by mohly být použity v medicíně bez rizika problémů s biokompatibilitou, a tak potenciálně vést k mnoha novým příležitostem v tkáňovém inženýrství a regenerativní medicíně.

Způsob, jakým pavouci produkují spidroin v micelách, inspiroval způsob hromadné produkce rekombinantních proteinů. Fúzováním pH necitlivého mutantu spidroidní N-koncové domény s reverzním nábojem k produkci proteinů lze produkovat mnohem rozpustnější proteiny v E-coli.[14]

Jiné druhy hedvábí

Tubuliform (pouzdro na vejce) hedvábné prameny strukturální doména
Identifikátory
SymbolRP1-2
PfamPF12042
InterProIPR021915
KOCOUR2mqa

Hedvábné proteiny přítomné v jiných typech hedvábného pavouka se také občas označují jako spidroin. Patří mezi ně tubuliformní slik protein (TuSP), bičíkový hedvábný protein (Flag; O44358-Q9NHW4-O44359), minoritní ampulátové hedvábné proteiny (MiSp; K4MTL7), aciniformní hedvábný protein (AcSP), pyriformní hedvábný protein (PySp) a agregované hedvábné lepidlo (ASG2 / AgSp). Tyto různé hedvábné proteiny spolu s MaSP vykazují určitou úroveň vzájemné homologie, v proteinových doménách, opakováních a v promotorech, ale také mají své vlastní jedinečné vlastnosti a variace na těchto částech, aby splnily jejich různé funkce.[15][16][17] Tyto společné rysy ukazují na společný původ proteinů nacházejících se ve všech těchto různých druzích hedvábí.[1][9]

Umělá výroba

Velkovýroba a vytlačování vláken umělého spidroinu MaSp1 (6 merů). Web

V červenci 2020 tým RIKΞN vědci uvádějí, že se jim podařilo použít a geneticky pozměněná varianta z R. sulfidophilum produkovat spidroiny.[18][19]

Viz také

Reference

  1. ^ A b Ayoub NA, Garb JE, Kuelbs A, Hayashi CY (březen 2013). „Starověké vlastnosti pavoučích hedvábí odhalené úplnou genovou sekvencí hedvábného proteinu obalujícího kořist (AcSp1)“. Molekulární biologie a evoluce. 30 (3): 589–601. doi:10,1093 / molbev / mss254. PMC  3563967. PMID  23155003.
  2. ^ Motriuk-Smith D, Smith A, Hayashi CY, Lewis RV (2005). „Analýza konzervovaných N-koncových domén v hlavních proteinech hedvábného pavoučího hedvábí“. Biomakromolekuly. 6 (6): 3152–9. doi:10.1021 / bm050472b. PMID  16283740.
  3. ^ Moisenovich MM, Pustovalova O, Shackelford J, Vasiljeva TV, Druzhinina TV, Kamenchuk YA, Guzeev VV, Sokolova OS, Bogush VG, Debabov VG, Kirpichnikov MP, Agapov II (květen 2012). "Regenerace tkání in vivo v rámci lešení rekombinantní spidroin 1". Biomateriály. 33 (15): 3887–98. doi:10.1016 / j.biomaterials.2012.02.013. PMID  22364702.
  4. ^ Askarieh G, Hedhammar M, Nordling K, Saenz A, Casals C, Rising A, Johansson J, Knight SD (květen 2010). „Vlastní sestavení proteinů hedvábného pavouka je řízeno relé citlivým na pH“. Příroda. 465 (7295): 236–8. Bibcode:2010 Natur.465..236A. doi:10.1038 / nature08962. PMID  20463740. S2CID  4366005.
  5. ^ Xu M, Lewis RV (září 1990). „Struktura proteinového supervlákna: hedvábné vlákno pavouka“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 87 (18): 7120–4. Bibcode:1990PNAS ... 87,7120X. doi:10.1073 / pnas.87.18.7120. PMC  54695. PMID  2402494.
  6. ^ Huemmerich D, Helsen CW, Quedzuweit S, Oschmann J, Rudolph R, Scheibel T (říjen 2004). "Prvky primární struktury hedvábných vláken pavouka a jejich příspěvek k rozpustnosti proteinů". Biochemie. 43 (42): 13604–12. doi:10.1021 / bi048983q. PMID  15491167.
  7. ^ Sponner A, Vater W, Rommerskirch W, Vollrath F, Unger E, Grosse F, Weisshart K (prosinec 2005). „Konzervované C-konce přispívají k vlastnostem fibroinů z pavoučího hedvábí“. Sdělení o biochemickém a biofyzikálním výzkumu. 338 (2): 897–902. doi:10.1016 / j.bbrc.2005.10.048. PMID  16253207.
  8. ^ Stark M, Grip S, Rising A, Hedhammar M, Engström W, Hjälm G, Johansson J (květen 2007). „Makroskopická vlákna sestavená z rekombinantních miniaturních proteinů z pavoučího hedvábí“. Biomakromolekuly. 8 (5): 1695–701. doi:10.1021 / bm070049y. PMID  17402782.
  9. ^ A b C Garb JE, Ayoub NA, Hayashi CY (srpen 2010). „Rozmotání pavoučího hedvábí s terminálními doménami spidroinu“. BMC Evoluční biologie. 10: 243. doi:10.1186/1471-2148-10-243. PMC  2928236. PMID  20696068.
  10. ^ Howorka S, ed. (2011). Pokrok v molekulární biologii a translační vědě. 103. London: Elsevier Science.
  11. ^ Gaines WA, Marcotte WR (září 2008). „Identifikace a charakterizace několika genů spidroinu 1 kódujících hlavní proteiny hedvábného vlákna z ampulí v Nephila clavipes“. Molekulární biologie hmyzu. 17 (5): 465–74. doi:10.1111 / j.1365-2583.2008.00828.x. PMC  2831225. PMID  18828837.
  12. ^ Rising A, Widhe M, Johansson J, Hedhammar M. Spider hedvábné proteiny: nedávný pokrok v rekombinantní produkci, vztahy mezi strukturou a funkcí a biomedicínské aplikace. Buňka. Mol. Life Sci. (2011) 68: 169–184
  13. ^ Scheller J, Gührs KH, Grosse F, Conrad U (červen 2001). "Výroba proteinů z hedvábného pavouka v tabáku a bramborách". Přírodní biotechnologie. 19 (6): 573–7. doi:10.1038/89335. PMID  11385464. S2CID  517678.
  14. ^ Kronqvist, Nina; Sarr, Médoune; Lindqvist, Anton; Nordling, Kerstin; Otikovs, Martins; Venturi, Luca; Pioselli, Barbara; Purhonen, Pasi; Landreh, Michael; Biverstål, Henrik; Toleikis, Zigmantas; Sjöberg, Lisa; Robinson, Carol V .; Pelizzi, Nicola; Jörnvall, Hans; Hebert, Hans; Jaudzems, Kristaps; Curstedt, Tore; Rostoucí, Anna; Johansson, Jan (23. května 2017). „Efektivní produkce bílkovin inspirovaná tím, jak pavouci vyrábějí hedvábí“. Příroda komunikace. 8 (1): 15504. Bibcode:2017NatCo ... 815504K. doi:10.1038 / ncomms15504. PMC  5457526. PMID  28534479.
  15. ^ Wen R, Liu X, Meng Q (prosinec 2017). "Charakterizace úplného genu tubuliformního spidroinu z Araneus ventricosus". International Journal of Biological Makromolecules. 105 (Pt 1): 702–710. doi:10.1016 / j.ijbiomac.2017.07.086. PMID  28735001.
  16. ^ Dos Santos-Pinto JR, Arcuri HA, Esteves FG, Palma MS, Lubec G (říjen 2018). „Proteon pavoučího hedvábí poskytuje vhled do strukturní charakterizace spidroinu bičíkovitého druhu Nephila clavipes“. Vědecké zprávy. 8 (1): 14674. Bibcode:2018NatSR ... 814674D. doi:10.1038 / s41598-018-33068-9. PMC  6168590. PMID  30279551.
  17. ^ Collin MA, Clarke TH, Ayoub NA, Hayashi CY (únor 2016). „Důkazy z více druhů, že složka Spider Silk Glue ASG2 je spidroin“. Vědecké zprávy. 6 (1): 21589. Bibcode:2016NatSR ... 621589C. doi:10.1038 / srep21589. PMC  4753498. PMID  26875681.
  18. ^ „Pavoučí hedvábí vyrobené fotosyntetizujícími bakteriemi“. phys.org. Citováno 16. srpna 2020.
  19. ^ Foong CP, Higuchi-Takeuchi M, Malay AD, Oktaviani NA, Thagun C, Numata K (červenec 2020). „Továrna na mořské fotosyntetické mikrobiální buňky jako platforma pro výrobu pavoučího hedvábí“. Komunikační biologie. Springer Science and Business Media LLC. 3 (1): 357. doi:10.1038 / s42003-020-1099-6. PMC  7343832. PMID  32641733. CC-BY icon.svg Text a obrázky jsou k dispozici pod a Mezinárodní licence Creative Commons Attribution 4.0.

Další čtení

externí odkazy

  • Přehled všech strukturálních informací dostupných v PDB pro UniProt: Q05H60 (Hlavní ampulát spidroin 1) na PDBe-KB.