Βιοχημική διεργασία παραγωγής μεταξιού από αράχνες

Araneus ventricosus (Πηγή: PLOS Biology)

Το νήμα από μετάξι που κατασκευάζει η αράχνη είναι ελαφρύ, ελαστικό και αρκετά ισχυρό στις μηχανικές πιέσεις. Αποτελείται από πρωτεΐνες, τις spidroins, οι οποίες σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος και με το νερό ως διαλύτη, μετατρέπονται από διαλυτή μορφή σε ισχυρές και στέρεες ίνες. Μία ερευνητική εργασία (Carbonic Anhydrase Generates CO2 and H+ That Drive Spider Silk Formation Via Opposite Effects on the Terminal Domains) που δημοσιεύεται στην επιστημονική επιθεώρηση PLOS Biology, αποκαλύπτει το μηχανισμό με τον οποίο γίνεται αυτή η μετατροπή.

Οι spidroins είναι μεγάλες πρωτεΐνες, με περίπου 3500 αμινοξέα που περιέχουν επαναλαμβανόμενες ομάδες αμινοξέων. Οι N- και C-τελικές περιοχές στα αντίθετα άκρα φαίνεται πως ρυθμίζουν την μετατροπή της πρωτεΐνης, καθώς είναι περιοχές μοναδικές στο μετάξι της αράχνης και αρκετά συντηρημένες μεταξύ των διαφορετικών ειδών αράχνης.

Οι spidroins διαθέτουν μία ελικοειδή και άτακτη δομή όταν αποθηκεύονται ως διαλυτές πρωτεΐνες στους αδένες της αράχνης, αλλά όταν μετατρέπονται σε μετάξι περιέχουν β-πτυχώσεις που προσδίδουν την απαραίτητη μηχανική σταθερότητα. Είναι γνωστό πως κατά μήκος των αδένων παραγωγής μεταξιού των αραχνών υπάρχει διαβάθμιση της τιμής του pH  και πως τελικά το μετάξι σχηματίζεται μέσα σε ένα στόμιο που υπάρχει στο άκρο του αδένα.

Πηγή: Κατσίκη Μαρία (2009). Το μετάξι αραχνών στην κλωστοϋφαντουργία, Πτυχιακή Εργασία, ΤΕΙ Πειραιά, Αιγάλεω

Για να διαπιστώσουν τη βάση της διαβάθμισης του pH στους αδένες παραγωγής μεταξιού, οι ερευνητές μελέτησαν το είδος Nephila clavipes, με πλάτος περίπου 7.6 εκατοστά και μπορεί να φτιάξει ιστό μήκους 3 μέτρων. Με μικρο-ηλεκτρόδια που τοποθετήθηκαν στους αδένες διαπιστώθηκε πως το pH μεταβάλλεται μεταξύ 7.6 και 5.7 από την μία άκρη του αδένα μέχρι το στόμιο όπου και δημιουργείται η ίνα μεταξιού. Αυτή η μεταβολή είναι περισσότερο απότομη από ότι νόμιζαν μέχρι τώρα οι ερευνητές.

Τα μικροηλεκτρόδια αποκάλυψαν επίσης πως τα διττανθρακικά ιόντα μεταβάλλονται με ανάλογο τρόπο στα δύο άκρα του αδένα. Συσχετίζοντας αυτές τις δύο παρατηρήσεις, προτείνεται πως η διαβάθμιση του pH οφείλεται στην καρβονική ανυδράση (carbonic anhydrase), ένα ένζυμο που καταλύει την μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα και του νερού σε ιόντα διττανθρακικού και υδρογόνου. Σε ενίσχυση αυτής της υπόθεσης, η μεθαζολαμίδη (methazolamide) που είναι αναστολέας τις καρβονικής ανυδράσης καταστρέφει τη διαβάθμιση του pH.

Στη συνέχεια οι ερευνητές μελέτησαν πώς η διαβάθμιση του pH επηρεάζει τα N- και C-άκρα των spidroins μίας άλλης αράχνης, της Araneus ventricosus. Διαπίστωσαν πως αμφότερες οι περιοχές υφίστανται δομικές αλλαγές από τις τιμές pH που εντοπίζονται στο εσωτερικό του αδένα. Είναι εξίσου σημαντικό, πως σε αυτές τις περιοχές διαβάθμισης του pH είναι εντοπισμένη και η υψηλότερη δραστικότητα της καρβονικής ανυδράσης. Το Ν-άκρο διμερίζεται σε pH 6, που εντοπίζεται στην αρχή του αδένα. Το C-άκρο αποσταθεροποιείται καθώς μειώνεται το pH, σταδιακά ξεδιπλώνεται (λόγω ότι σπάει μία γέφυρα άλατος που συνδέει δύο έλικες) μέχρι να σχηματιστούν οι β-πτυχώσεις, χαρακτηριστικές του μεταξιού, σε pH 5.5. Είναι ενδιαφέρον πως αυτή η γέφυρα άλατος είναι συντηρημένη στις spidroins διαφορετικών ειδών αραχνών. Οι ερευνητές θεωρούν πως αν πρωτονιωθούν τα αμινοξέα στη γέφυρα άλατος, η C-τελική περιοχή θα αποσταθεροποιηθεί διευκολύνοντας την καταστροφή των ελικών και τη δημιουργία των β-πτυχώσεων.

Όλα τα παραπάνω δεδομένα επιτρέπουν στους ερευνητές να προτείνουν ένα καινούριο μοντέλο σχετικά με το σχηματισμό μεταξιού από τις αράχνες. Ο σταδιακός διμερισμός των N-τελικών άκρων θα μπορούσε να δημιουργήσει πολυμερή των spidroins, ενώ οι β-πτυχώσεις των C-τελικών άκρων θα μπορούσαν να λειτουργήσουν ως αρχικοί πυρήνες που δίνουν το έναυσμα για τον ταχύτατο πολυμερισμό των spidroins σε ίνες. Η μετατροπή αυτή γίνεται πολύ γρήγορα παράγοντας ένα μέτρο ίνας σε χρόνο μικρότερο του ενός δευτερολέπτου. Και επειδή τα Ν- και C-άκρα των spidroins δεν υπάρχουν πουθενά αλλού, ίσως αυτός ο μηχανισμός να είναι μοναδικός στις αράχνες.

Τέλος είναι ενδιαφέρον πως οι C-τελικές β-πτυχώσεις των spidroins είναι παρόμοιες με τις ίνες του αμυλοειδούς που σχετίζονται με ασθένειες όπως το Αλτσχάιμερ. Ίσως η ανάλυση του παραπάνω μοντέλου στις αράχνες, θα μπορούσε να προτείνει φυσικούς τρόπους απόκρυψης των ινών του αμυλοειδούς κι επομένως τη θεραπεία ασθενειών που σχετίζονται με αυτό.