novama/Shutterstock
Echt, we zouden spinnen moeten benijden. Stel je voor dat je zijde kunt maken zoals zij, dat je het rondslingert om van de ene plek naar de andere te komen, dat je altijd een ijzersterke veiligheidslijn hebt of dat je een comfortabele hangmat spint wanneer je even wilt uitrusten.
De fascinerende eigenschappen van spinnenzijde maken het geen wonder dat wetenschappers al tientallen jaren proberen om de geheimen ervan te ontrafelen.
Als we het spinproces zouden kunnen begrijpen en namaken, zouden we kunstmatige spinnenzijde kunnen produceren voor een reeks medische toepassingen. Kunstzijde kan bijvoorbeeld helpen bij het regenereren van de zenuwen die onze hersenen en ledematen verbinden en kan medicijnmoleculen rechtstreeks naar de cellen brengen waar ze nodig zijn.
Spinnenzijde is gemaakt van proteïnen die spidroïnen worden genoemd en die de spin opslaat in een zijdeklier in zijn buik. Er zijn verschillende soorten spidroïnen voor het spinnen van verschillende soorten zijde. Spinnen slaan ze op als een vloeistof die lijkt op oliedruppels.
Maar een van de vragen die wetenschappers tot nu toe hebben ontweken is hoe spinnen deze vloeistofdruppels omzetten in zijde. We besloten te onderzoeken waarom de spidroins druppels vormen, om zo dichter bij het nabootsen van het spinproces te komen.
Een web weven
De truc die spinnen gebruiken om hun spinproces te versnellen kan gebruikt worden om betere kunstzijde te spinnen of zelfs om nieuwe spinprocessen te ontwikkelen.
In 2017 leerden we om synthetische zijdevezels te maken door de zijdeklier na te bootsen, maar we wisten niet hoe het binnenin de spin werkt. Nu weten we dat het vormen van druppels eerst de omzetting naar deze vezels versnelt.
Een belangrijke aanwijzing over hoe de druppeltjes en vezels met elkaar samenhangen kwam uit een onverwacht deel van ons onderzoek – naar de ziekten van Alzheimer en Parkinson. Eiwitten die betrokken zijn bij deze ziekten, alfa-synucleïne en tau genaamd, kunnen zich in menselijke cellen samenvoegen tot kleine, olie-achtige druppeltjes.
Tau is een eiwit dat het interne skelet van zenuwcellen (neuronen) in de hersenen helpt stabiliseren. Dit interne skelet heeft een buisachtige vorm waardoor voedingsstoffen en andere essentiële stoffen reizen om verschillende delen van het neuron te bereiken.
Bij de ziekte van Alzheimer bouwt een abnormale vorm van tau zich op en klampt zich vast aan de normale tau-eiwitten, waardoor “tau-tangles” ontstaan.
Alfa-synucleïne wordt in grote hoeveelheden gevonden in dopamine-producerende zenuwcellen. Abnormale vormen van dit eiwit worden in verband gebracht met de ziekte van Parkinson.
De truc die spinnen gebruiken om hun spinproces te versnellen kan gebruikt worden om betere kunstzijde te spinnen.
Aastels/Shutterstock
Oliedruppels van een van deze eiwitten vormen zich bij mensen wanneer ze verstrikt raken, zoals gekookte spaghetti op een bord. In het begin zijn de eiwitten flexibel en elastisch, net als spidroïne-oliedruppels.
Maar als de eiwitten verstrikt blijven zitten, gaan ze aan elkaar plakken waardoor hun vorm verandert en ze in stijve vezels veranderen. Deze kunnen giftig zijn voor menselijke cellen – bijvoorbeeld bij neurodegeneratieve aandoeningen zoals Alzheimer.
Spidroïnes kunnen echter ook druppels vormen. Daarom vroegen we ons af of hetzelfde mechanisme dat neurodegeneratie bij mensen veroorzaakt, de spin zou kunnen helpen om vloeibare spidroïden om te zetten in stijve zijdevezels.
Om daar achter te komen, gebruikten we een synthetisch spidroïne genaamd NT2RepCT, dat door bacteriën geproduceerd kan worden. Onder de microscoop konden we zien dat deze synthetische spidroïne vloeibare druppels vormde toen het werd opgelost in fosfaatbuffer, een soort zout dat wordt gevonden in de zijdeklier van de spin. Hierdoor konden we de omstandigheden waaronder spinnenzijde werd gesponnen in het lab nabootsen.
Zijdeachtige wetenschap
Vervolgens onderzochten we hoe de spidroïne-eiwitten zich gedragen als ze druppels vormen. Om deze vraag te beantwoorden, gebruikten we een analysetechniek die massaspectrometrie heet, om te meten hoe het gewicht van de eiwitten veranderde wanneer ze druppels vormden. Tot onze verrassing zagen we dat de spidroïne-eiwitten, die normaal gesproken paren vormen, zich in plaats daarvan opsplitsten in enkele moleculen.
We moesten meer werk doen om uit te vinden hoe deze eiwitdruppeltjes spinnen helpen zijde te spinnen. Eerder onderzoek heeft aangetoond dat spidroïnes verschillende delen hebben, domeinen genaamd, met verschillende functies.
Het uiteinde van de spidroïne, het zogenaamde c-terminale domein, zorgt ervoor dat het paren vormt. Het c-terminale domein start ook vezelvorming wanneer het in contact komt met zuur.
Dus maakten we een spidroïne die alleen het c-terminale domein bevatte en testten we het vermogen om vezels te vormen.
Toen we fosfaatbuffer gebruikten om de eiwitten in druppeltjes te verstrengelen, veranderden ze meteen in stijve vezels. Toen we zuur toevoegden zonder eerst druppeltjes te maken, duurde de vezelvorming veel langer.
Dit is logisch omdat de spidroinemoleculen elkaar moeten vinden als ze een vezel vormen. Door de spidroïnes als spaghetti in elkaar te verstrengelen, worden ze snel tot zijde gevormd.
Deze ontdekking vertelt ons hoe de spin zijn spidroïnes onmiddellijk kan omzetten in een vaste draad. Het onthulde ook hoe de natuur hetzelfde mechanisme gebruikt dat herseneiwitten giftig kan maken om een aantal van haar meest verbazingwekkende structuren te maken.
De verrassende parallel tussen het spinnen van spinnenzijde en vezels die giftig zijn voor mensen zou op een dag kunnen leiden tot nieuwe aanwijzingen over hoe neurodegeneratieve aandoeningen bestreden kunnen worden.
Wetenschappers kunnen onderzoek naar spinnenzijde, inclusief wat we hebben geleerd over de domeinen van spinnenzijde, gebruiken om te voorkomen dat menselijke eiwitten aan elkaar kleven – zodat ze niet giftig worden. Als spinnen kunnen leren hoe ze hun kleverige eiwitten onder controle kunnen houden, dan kunnen wij dat misschien ook.
Michael Landreh ontvangt financiering van de Zweedse Onderzoeksraad (VR), de Zweedse Stichting voor Kankeronderzoek (Cancerfonden), de Knut en Alice Wallenberg-Stichting (KAW), de Olle Engkvist-Stichting en het Karolinska Institutet.
Anna Rising ontvangt financiering van de European Research Council (ERC) in het kader van het Horizon 2020-programma voor onderzoek en innovatie van de Europese Unie (subsidieovereenkomst nr. 815357), het Center for Innovative Medicine (CIMED) van het Karolinska Institutet en de gemeenteraad van Stockholm, Karolinska Institutet SFO Regen (FOR 4-1364/2019), FORMAS (2019-00427), Olle Engkvist stiftelse (207-0375) en de Zweedse Onderzoeksraad (2019-01257).
