Razvozlan pajčji genom razkriva kompleksnost produkcije svile

Tipična kolesasta mreža zlatega mrežarja Nephila clavipes, Portoriko (foto: dr. Matjaž Gregorič).

Pajki so izjemno raznovrstna skupina členonožcev. Poselili so skoraj vse kopenske ekosisteme, kjer so najpomembnejši plenilci. Skrivnost njihovega uspeha je v sposobnosti izdelovanja svile, ki jo uporabljajo v vseh stopnjah svojega življenja.

Pajčja svila verjetno predstavlja material prihodnosti, saj je močna kot jeklo in hkrati izredno elastična.

Zaradi kombinacije trdnosti in elastičnosti po t. i. natezni trdnosti (količini energije, ki je potrebna za pretrganje vlakna) prekaša tudi večino sintetičnih materialov, hkrati pa je zaradi svoje proteinske sestave biorazgradljiva in izjemno lahka.

Najočitnejšo aplikacijo pajčje svile verjetno predstavlja razvoj novih kompozitnih (bio)materialov, morebitno aplikacijo v medicini pa nakazuje domnevno protibakterijsko delovanje svile in »nevidnost« za človekov imunski sistem. Kljub temu je raziskovanje pajčje svile doslej napredovalo sorazmerno počasi, predvsem zaradi metodoloških omejitev pri identifikaciji in karakterizaciji genov, ki določajo lastnosti pajkovih niti.

V tem pogledu je skupina znanstvenikov iz ZDA in Slovenije naredila pomemben korak v tej smeri – razvozlali so prvi celoten genom pajkov mrežarjev in izsledke 1. maja 2017 objavili v prestižni reviji Nature Genetics. Raziskavo sta vodila genetika iz Univerze v Pennsylvaniji (ZDA), pri njej pa je sodeloval predstojnik Biološkega Inštituta Jovana Hadžija ZRC SAZU (Ljubljana), dr. Matjaž Kuntner.

SLIKA: Odrasla samica zlatega mrežarja (a), morfologija svilnih žlez (b) in uporaba določenega tipa svile (c): velika in majhna ampularna svila (označeni oranžno in vijolično) dajeta mreži strukturno oporo in ustavita plen, flageliformna svila (označena modro) in agregatno lepilo (označeno zeleno) v mreži zadržita plen, tubuliformna svila (označena rdeče) gradi kokone jajc, aciniformna svila (označena rumeno) je namenjena zapredanju plena, piriformna svila (označena rjavo) pa na podlago pritrjuje ostale niti.

Pajki mrežarji, ki imajo med vsem pajki najbolj kompleksno uporabo prediva, imajo do sedem različnih tipov prediva, ki ga proizvajajo v sedmih tipih predilnih žlez (slika 1b-c).

Čeprav svilo pajkov raziskujemo že več kot 50 let, smo do sedaj mislili, da je genov, ki jo kodirajo, prav tako sedem. Da bi identificirali svilne gene, skrite v pajčjem genomu, je mednarodna skupina raziskovalcev sekvencirala celoten genom zlatega mrežarja (Nephila clavipes), ki velja za »belo miš« arahnologije.

Genom zlatega mrežarja je, kot zanimivost, v velikostnem rangu genoma človeka s približno 14.000 geni.

Med njimi so raziskovalci identificirali 28 genov, ki kodirajo svilne proteine, imenovane spidroini. Spidroine glede na njihovo sestavo in funkcijo klasificiramo v sedem kategorij.

Nekateri od novo odkritih svilnih genov pa ne ustrezajo obstoječim kategorijam, kar pomeni, da še ne poznamo vseh funkcij pajčje svile ali da moramo na novo definirati kategorije spidroinov. Z ugotavljanjem izraženosti genov v posameznih žlezah so raziskovalci odkrili tudi, da posamezne svilne žleze niso namenjene izključno določenemu tipu svile, kot smo mislili do sedaj – gre torej za precej večjo kompleksnost pri produkciji svile.

SLIKA: Odrasla samica zlatega mrežarja Nephila clavipes, Portoriko (foto: dr. Matjaž Gregorič).

Verjetno največje presenečenje za raziskovalce je novo odkrit spidroin FLAG-b, ki ga proizvajajo strupne in ne svilne žleze, kar nakazuje fascinantne nove funkcije svile, povezane z imobilizacijo in konzerviranjem plena.

V tej dolgotrajni raziskavi, temelječi na obsežnih računskih analizah, so raziskovalci odkrili skoraj 400 kratkih sekvenc, med njimi mnoge še neopisane, ki se z majhnimi variacijami ponavljajoče pojavljajo v svilnih genih. Prav ti ponavljajoči se »motivi« spidroinov so za raziskovalce izjemno zanimivi, saj verjetno skrivajo bistvo izjemnih mehanskih lastnosti prediva.

Ob omenjenih 28 svilnih genih so raziskovalci identificirali še 649 genov, ki so prav tako izraženi ob produkciji svile. Ti niso spidroinski, torej ne kodirajo proteinske sestave svile, temveč imajo verjetno pomembno vlogo pri pretvorbi tekoče svile v trdno obliko. Prav ta proces pa predstavlja eno ključnih preprek učinkovitega laboratorijskega pridobivanja pajčje svile!

Naslednji projekt te skupine raziskovalcev, katere del sem tudi sam, je sekvenciranje genoma Darwinovega drevesnega pajka (Caerostris darwini), ki je znan po največjih mrežah, razpetih čez jezera in reke, zgrajenih iz najmočnejše svile sploh.

Mreže Darwinovega drevesnega pajka nad reko v narodnem parku Ranomafana, Madagaskar (foto: Matjaž Kuntner)
Več od Dr. Matjaž Gregorič

Razvozlan pajčji genom razkriva kompleksnost produkcije svile

Pajki so izjemno raznovrstna skupina členonožcev. Poselili so skoraj vse kopenske ekosisteme,...
Beri dalje