Keď pavúka zhodia zo steny, nepadá dlho. V priebehu milisekúnd si zo zmesi bielkovín vytvorí spoľahlivé horolezecké lano a po tenkom, lesklom hodvábnom vlákne sa vytiahne späť. Toto vlákno je odolnejšie než kevlar a pevnejšie než oceľ. Je pružné a biokompatibilné s ľudským telom. Odborníci snívajú o tom, že jedného dňa budú z pavúčieho hodvábu vyrábať špeciálne materiály na bezpečnostné pásy, prilby, využitie v námorníctve či dokonca na obnovu mozgových buniek. Pokusy o laboratórnu výrobu pavúčieho hodvábu však doteraz zlyhávali, pretože vedci ešte dostatočne nerozumejú tomu, ako pavúk premieňa „hodvábny roztok“ zo svojich snovacích žliaz – tekutú zmes bielkovín, vody a solí – na pevné vlákna.
Objasnenie molekulárnych mechanizmov tohto procesu je v tejto oblasti veľmi dôležitým cieľom, hovorí Gregory Holland, chemik zo Štátnej univerzity v San Diegu. Nedávno viedol výskum, ktorý opísal, ako sa molekuly tekutej suroviny na tvorbu hodvábu preskupujú do polotekutých kvapôčok nazývaných kondenzáty, kým sa premenia na pevné hodvábne vlákna. Výskum ponúka pohľad do pavúčej „továrne na hodváb“ na úrovni atómov.
Zistenia zároveň poskytujú praktický návod na vytváranie kondenzátov, ktoré príroda opakovane využíva na usporiadanie molekúl pri genetických procesoch aj pri tvorbe pozoruhodne pevných biologických materiálov. „Čoraz jasnejšie sa ukazuje, že tvorba kondenzátov je všeobecnou stratégiou, ktorú využíva množstvo rôznych organizmov,“ hovorí Matthew Harrington, výskumník biologických materiálov z McGillovej univerzity, ktorý sa na novej štúdii nepodieľal.
Vedci dúfajú, že pochopenie toho, ako príroda využíva kondenzáty, im umožní napodobniť jej najodolnejšie materiály.
Miniatúrne továrne na hodváb
Pavúky sú neuveriteľné prírodné továrne. Dokážu vytvárať až sedem druhov hodvábu a jeden pavúk ich často produkuje hneď niekoľko. Do hodvábu z hroznovitých žliaz (aciniformného hodvábu) obaľujú hmyz, ktorý skonzumujú neskôr. Hodváb z bičíkovitých žliaz (flageliformný hodváb) tvorí špirálové vlákna pavučiny, vďaka ktorým lepšie pohlcuje nárazy. Nosný hodváb (dragline) pripevňuje sieť aj samotné pavúky k predmetom, napríklad k stenám. Jednotlivé druhy hodvábu majú odlišné vlastnosti súvisiace so stavbou ich molekúl. Tieto vlastnosti závisia aj od druhu pavúka: dokonca aj rovnaký typ hodvábu sa môže mierne líšiť podľa toho, ktorý druh ho vytvoril.
V roku 1907 odborníci zistili, že pavúčie vlákno pozostáva z dlhých modulárnych bielkovín, ktoré neskôr dostali názov spidroíny. Patria do rovnakej skupiny vláknitých bielkovín ako kolagén a keratín. O viac než pol storočia neskôr začali röntgenové lúče odhaľovať základné štruktúrne vlastnosti týchto vlákien. Vlákno tvoria ploché bielkovinové útvary, takzvané beta-skladané listy, uložené v menej usporiadanej, nekryštalickej matrici.
Keď vedci začiatkom 21. storočia začali skúmať spidroíny v roztoku, nevideli v nich usporiadané, stále štruktúry typické pre väčšinu bielkovín. Spidroíny namiesto toho obsahovali vnútorne neusporiadané oblasti, ktoré sa pohybovali sem a tam, nadobúdali rôzne tvary a opäť sa preskupovali. Vedci potom začali rozpletať záhadu, ako sa táto „polievka“ neusporiadaných bielkovín môže sformovať do pevných a odolných vlákien.
Podľa jednej z prvých teórií sa bielkoviny v zmesi navzájom usporadúvajú podobne ako v kryštáli, no zostávajú pohyblivé v prechodnom stave známom ako kvapalný kryštál. Iná teória predpokladala, že pavúčie vlákno vzniká podobne ako hodváb priadky morušovej. V ňom sa bielkoviny zoskupujú do miciel, teda drobných guľôčok, ktoré sa následne stláčajú do hodvábnych vlákien.
V roku 2007 si potom vedci všimli, že spidroíny vyrobené v laboratóriu vytvárajú kvapôčky podobné kvapaline.
Štruktúry tohto typu sa čoskoro stali neprehliadnuteľnou témou modernej biológie. V roku 2009 výskumníci z Morského biologického laboratória v Massachusetts a z Ústavu Maxa Plancka v Nemecku objavili v oplodnených vajíčkach červov kvapôčky tvorené zoskupenými molekulami RNA. Boli to kondenzáty – tekuté alebo gélovité útvary, ktoré obsahujú koncentrované bielkoviny a vznášajú sa v roztoku. Hoci ich vedci pozorujú už viac než storočie, až v poslednom čase ich začali považovať za kľúčový prostriedok organizácie molekulárnych procesov v živých organizmoch.
Výskumníci zistili, že kondenzáty sústreďujú molekuly a predbežne ich usporadúvajú v pružnom mikroprostredí bez toho, aby ich zafixovali v pevnom materiáli. „Keďže sú tekuté, dajú sa tvarovať, takže biológia im môže dať prakticky akýkoľvek tvar,“ hovorí Harrington.
Ďalší výskum ukázal, že živé bunky využívajú kondenzáty všade: pri organizácii DNA, regulácii génovej expresie aj pri balení bielkovín. Na makroskopickej úrovni pomáhajú rôznym druhom vytvárať zaujímavé materiály. Podieľajú sa na formovaní zobáka kalmára, ktorého jednotlivé časti majú postupne vyššiu tuhosť. Tvoria pevné lepidlá, ktoré umožňujú lastúrnikom prichytiť sa ku skalám, aj podmorské lepidlo využívané červami, ktoré si stavajú príbytky z piesku. „Je to nesmierne vzrušujúca oblasť biológie,“ hovorí Holland.
Hoci vedci opísali kvapôčky vznikajúce v laboratórne vyrobených spidroínoch už pred viac než desaťročím, za kondenzáty ich začali považovať až v roku 2020. Vtedy Keiji Numata, chemik zaoberajúci sa biomateriálmi na Kjótskej univerzite, vyslovil hypotézu, že pavúčie vlákno pri premene z tekutého roztoku na pevnú niť prechádza fázou kondenzátu.
Kondenzáty vznikajú takzvanou fázovou separáciou kvapalina – kvapalina. Molekuly v kvapaline pri nej môžu vstupovať do slabých vzájomných interakcií, pričom ľahko vytvárajú a rozrušujú väzby v reakcii na podnety, ako sú zmeny pH, chemického zloženia alebo teploty. Numata predpokladal, že tieto interakcie môže spúšťať fosforečnan nachádzajúci sa v ampule – strednej časti snovacích žliaz pavúka. Mechanizmy, ktoré ich riadia na úrovni atómov, však nikto neopísal, až kým sa Hannah Johnsonová, v tom čase doktorandka v Hollandovom laboratóriu, nerozhodla tejto záhade prísť na koreň.
Vnútri čiernej vdovy
V rokoch 2023 a 2024 prichádzala na katedru chémie Štátnej univerzity v San Diegu každých pár mesiacov zásielka samičiek čiernej vdovy. Tieto pavúky – uhľovočierne živočíchy s trochou červenej – produkujú silný jed, ktorý môže človeku spôsobiť veľké bolesti. Odhliadnuc od tejto drobnej nepríjemnosti sú výbornými objektmi na skúmanie pavúčieho hodvábu. Spidroíny v ich nosnom hodvábe patria medzi najdôkladnejšie opísané spomedzi všetkých pavúkov. Navyše sú dostupné po celý rok, na rozdiel od iných pavúkov, ktoré tkajú siete iba sezónne.
Johnsonová s kolegami odoberala hodváb čiernym vdovám omámeným oxidom uhličitým, pričom používali dve vrstvy ochranných rukavíc. Pinzetou opatrne vyťahovali hodvábne vlákno zo snovacích bradaviek pavúka – otvorov na brušku, z ktorých vlákna vychádzajú – a následne ho navíjali na liekovku pripevnenú k rotujúcemu motoru.
„Najradšej máme pavúky, ktoré nám dajú veľa hodvábu, no mám slabosť aj pre rebelov, ktorí nechcú spolupracovať,“
hovorí Johnsonová. Počas tohto procesu vedci kŕmili čierne vdovy koktailom aminokyselín obohateným o špeciálne izotopy.
Johnsonová pomocou nukleárnej magnetickej rezonancie skúmala tekutý pavúčí hodváb aj kondenzáty odobraté z ampúl pavúkov. Kevin Chalek, ktorý vtedy pôsobil v Hollandovom laboratóriu ako postdoktorand a dnes pracuje na Kalifornskej univerzite, medzitým zmapoval atómovú štruktúru bielkovín v pevnom vlákne. „Snažili sme sa preklenúť rozdiel medzi tým, ako sa bielkovina správa vnútri pavúka a mimo neho. Ide o tie isté bielkoviny, ako sa teda môžu tak veľmi líšiť? A čo presne sa deje medzi týmito dvoma stavmi?“ pýta sa Chalek.
Johnsonová pozorovala, že po pridaní fosforečnanu do tekutého hodvábneho roztoku na spustenie kondenzácie začali postranné skupiny dvoch aminokyselín, arginínu a tyrozínu, slabo vzájomne interagovať. Tieto aminokyseliny sa nachádzajú vo vnútorne neusporiadaných oblastiach spidroínov. Interakcia vytlačila vodu a usporiadala neusporiadané bielkoviny do hustejšej gélovitej hmoty – kondenzátu. Pretrvávala aj v pevnom vlákne, čo naznačuje, že aminokyseliny slúžia ako „molekulárne lepidlo“, ktoré z neusporiadaných bielkovín vytvára kondenzáty a napokon vlákna.
Ostatní členovia výskumného tímu použili AlphaFold, nástroj umelej inteligencie na modelovanie bielkovinových štruktúr, a softvér na molekulárnu dynamiku, aby tento proces modelovali pomocou počítačovej simulácie. Vedci vedia, že pevnosť pavúčieho hodvábu vychádza z pevných bielkovinových štruktúr beta-skladaných listov v konečnom vlákne.
Simulácie ukázali, že spomínané aminokyseliny sa zoraďujú presne pozdĺž záhybov beta-skladaných listov, čo naznačuje, že pomáhajú spidroínom zaujať ich konečnú štruktúru.
„Je úžasné pochopiť, ako tieto postranné skupiny vzájomne interagujú a ako môžu vytvoriť štruktúru, ktorá je viac než len súčtom jednotlivých častí,“ hovorí Chris Holland, biológ zo Sheffieldskej univerzity, ktorý sa na štúdii nepodieľal. Výsledky poskytujú priamy dôkaz, že kondenzáty môžu vznikať aj z prírodného hodvábu, čo je veľmi dôležité, dodáva Daiwen Yang, biológ z Národnej univerzity v Singapure, ktorý sa na výskume takisto nezúčastnil.
Opis kondenzátov nevylučuje správnosť predchádzajúcich teórií o vzniku pavúčieho hodvábu. Gregory Holland, ktorý už skôr preukázal prítomnosť miciel v prírodnom pavúčom hodvábe, sa domnieva, že všetky tri zložky – micely, kondenzáty a kvapalné kryštály – môžu byť súčasťou tej istej fázovej premeny. Micely vznikajúce v tekutom roztoku bránia neusporiadaným bielkovinám zhlukovať sa a zamotávať. Bielkoviny sa môžu predbežne spájať aj do kondenzátov alebo usporadúvať do štruktúr podobných kvapalným kryštálom, kým zo snovacích bradaviek vyjdú ako vysoko usporiadané vlákna. Skutočný proces je však pravdepodobne „dynamickejší a heterogénnejší“ než séria po sebe nasledujúcich krokov, hovorí Gregory Holland, pretože viaceré z týchto štruktúr môžu v zmesi vznikať súčasne. Súhlasí s ním aj Harrington. „Nemyslím si, že sa navzájom vylučujú,“ hovorí. „V rôznych fázach spracovania môžu prebiehať rôzne typy fázových premien.“
Isté však je, že o súhre týchto interakcií na „výrobnej linke“ treba ešte veľa zistiť. Pravdepodobne existujú aj ďalšie dôležité interakcie medzi aminokyselinami, ktoré vedci zatiaľ nedokázali podrobne zmapovať. Okrem toho hľadajú aj iné spúšťacie faktory, ktoré sa popri fosforečnane podieľajú na rozbehnutí procesu. „K štruktúrnym zmenám týchto bielkovín môže prispievať aj viacero ďalších faktorov,“ hovorí Chris Holland. „Ešte nepoznáme všetky prepínače.“
Výnimočné materiály
Úplný opis zložitého procesu tvorby hodvábneho vlákna si vyžaduje veľké úsilie, no jeho prínos môže byť obrovský. Pavúky produkujú malé množstvo využiteľného hodvábu v porovnaní s priadkami morušovými, ktoré ľudia chovajú pre ich zámotky už viac než 4.000 rokov. Na výrobu jednej hodvábnej košele treba niekoľko tisíc priadok, zatiaľ čo pavúkov by bolo potrebných približne 1 milión. Čiastočne preto, že nevytvárajú zámotky, ktoré by sa dali ľahko spracovať. Existuje však aj praktickejší dôvod: pavúky sa pre svoj kanibalizmus chovajú ťažko, pretože musia byť oddelené.
Laboratórna výroba pavúčieho hodvábu by mohla priniesť celý rad nových, pevných a zároveň pružných materiálov. Výroba kevlaru, syntetického vlákna, ktoré je v súčasnosti naším najpevnejším materiálom, si vyžaduje veľmi vysoké teploty a kyslé prostredie. „A potom je tu organizmus ako pavúk či lastúrnik, ktorý bežne vytvára vynikajúci materiál pri teplote okolitého prostredia, v morskej vode alebo jednoducho na vzduchu,“ hovorí Harrington.
Odborníci zatiaľ neprišli na to, ako tieto organizmy napodobniť. Keď v laboratóriu syntetizujú pavúčí hodváb a pri tvorbe spidroínu použijú presnú sekvenciu aminokyselín, výsledné vlákno nie je také pevné ako prírodné. „Deje sa tam niečo, čo sa nám ťažko napodobňuje,“ hovorí Chalek. Podľa neho dodáva hodvábu ďalšiu pevnosť aj niečo nad rámec beta-skladanej štruktúry bielkoviny. Môže to vychádzať z iných aspektov štruktúry hodvábu alebo azda z častí spidroínu, ktoré sa zo syntetických hodvábnych roztokov zatiaľ vynechávajú. Ako hovorí Chris Holland:
„Keď týmto receptom raz skutočne porozumieme, budeme môcť z hodvábu vyťažiť ešte viac.“
