Табиғатта өрмекшілер әлемдегі ең берік жібек талшықтарын жасай алады, тіпті кез келген уақытта және кез келген жағдайда жасанды жібек талшықтарына қарағанда жақсы механикалық қасиеттері бар талшықтарды жасай алады. Өрмекшілердің қабілеттері және олар жасаған жібек зерттеушілерді ұзақ уақыт бойы қызықтырып келді. Бүгінгі таңда ғалымдар жоғары өнімді тоқыма бұйымдарынан бастап спорттық жабдықтар мен машиналардағы тұрақты компоненттерге дейін әртүрлі қолданбаларда қолданылатын жасанды өрмекші жібек талшықтарын жасап шығарды. Табиғи өрмекші жібін өндіру әдісі негізінен жібек жинау үшін өрмекшілердің фермада көбеюіне негізделген, бірақ бұл жинау режимі әлі де индустрияландыру мен тиімділікті қажет етеді. Екінші жағынан, синтетикалық өрмекші жібек талшықтары әлі де кейбір қиындықтарға тап болады, мысалы, өрмекші жібек ақуыздары (спидроиндер) шетелдік иесінде өндірілуі керек. Ғалымдар кейбір прокариоттық микроорганизмдер, эукариоттар, өсімдіктер және тіпті трансгенді жануарлар сияқты бірқатар қолайлы иелерді анықтағанымен, олардың өнімділігі төмен, ал олар шығаратын өрмекші жібек ақуыздарының суда ерігіштігі төмен. Кейінгі иіру процесі өндіріс әдісі мен синтетикалық талшық құрылымын айтарлықтай жақсарта алса да, оның механикалық қасиеттері таза табиғи жібек талшығымен салыстырғанда әлі де жеткіліксіз. Сонымен, Швециядағы Каролинка институтынан Ян Йоханссон мен Анна Райзинг өрмекші жібек талшықтарының қасиеттеріне әсер ететін негізгі факторларды анықтады және әртүрлі шешімдердің артықшылықтары мен кемшіліктерін салыстыра отырып, жаңа супер жасанды өрмекші жібек талшықтарын синтездеудің жол картасын жасады. Олардың болашаққа бағытталған бақылаулары ACS Nano журналының соңғы санында «Өрмекшілердің істей алмайтынын істеу - ең жоғары жасанды жібек талшықтарына жол картасы» атты тақырыпта жарияланды.

Жалпы алғанда, әрбір өрмекші жеті түрлі жібек талшықтарын жасай алады, олардың әрқайсысының механикалық қасиеттері әртүрлі. Бұл жібек талшықтары негізінен 110-130 аминқышқылынан тұратын қайталанатын аймақтардың шар тәрізді терминалды домендерін бөлісетін өрмекші жібек ақуыздарынан тұрады. Жібек ақуыздарындағы бұл терминалды домендері бірегей және жібектің ерігіштігін реттейді және талшықтың түзілуін басқарады, ал қайталанатын домендері жібектің механикалық қасиеттерін басқарады. Олардың ішінде ең қатты жібек талшығы (Драглайн) негізінен ампулярлы жібек ақуызынан (MASPs) тұрады, ал оның қайталанатын аймағында негізінен итеративті поли-Ала сегменті және глицинге бай қайталанатын аймақ (Gly) бар. Өрмекшілердің жібек бездерінде жібек ақуызының концентрациясы 50%-ға дейін жетеді (W/V). Өрмекші жібек ақуызының мұндай жоғары концентрацияда қалай сақталатынын және тұнба түзбейтінін әлі толық түсінбегенімізбен, бүгінгі таңда сақтау режимі негізінен жібек бездерінде сақталатын аймақты кездейсоқ түрде қайталау болып табылады және альфа спираль терминалды домені белгілі бір гидрофильділікті сақтау үшін жібек ақуызын жасай алады, ол негізінен жібек безінің ішкі сақтау бетінің қабатына көмектесу үшін бекітіледі. Өрмекші жібек талшықтарының синтезі негізінен жеткізу түтігінде жүреді, оның ішінде рН мәні төмендейді және салыстырмалы ығысу кернеуінің артуы байқалады, бұл пултрузияға және ақырында өрмекші жібек ақуызының түзілуіне әкеледі. Ең қызығы, өрмекші жібек ақуыздарының N және C терминалды домендері синтез кезінде «құлыптау және іске қосу» қызметін атқарады. n-терминалды домен төменгі рН кезінде димерленеді, бұл желінің байланысын имитациялайды, өрмекші жібек ақуызын құлыптайды. рН мәні мен ығысу кернеуінің әсерінен С-терминалды аймақ β-ламеллярлы ядроны түзеді, бұл аминқышқылдарының қайталану аймағының β-ламеллярлы ядроға айналуына ықпал етеді. Ақырында, бұл «құлыптау және іске қосу» механизмі сұйық жібек ақуызын қатты талшыққа айналдырады.

Өрмекші жібегіндегі фибриннің негізгі компоненттері

Өрмекші жібек талшықтарына әсер ететін бірнеше негізгі факторлар

Макроампулярлық жібек ақуызы наноөлшемді құрылымда анизотропты болып табылады, ал оның ламинатталған β-ламеллярлық ядролары аморфты матрицаға енген кристалды доменді (β-кристалды) құрайды. Оның негізгі қызметі - өрмекші жібек талшықтарының созылу беріктігін бақылау. Бұл құрылым оның механикалық қасиеттерін анықтаудың кілті болып табылады. Кристалдану дәрежесі мен механикалық қасиеттер арасындағы нақты байланыс анық болмаса да, кристалды доменнің көлемінің өзі жоғары созылу беріктігіне жетуде, кинетикалық модельдеу арқылы қуат пен беріктікті төмендетуде шешуші рөл атқаратыны анықталды.

Жібек ақуыздары секреторлық ақуыздар болып табылады, сондықтан олар секреторлық жолға ену үшін эндоплазмалық тоқ ішек арқылы өтуі керек. Жібек ақуыздарын эндоплазмалық тоқ ішекке тасымалдау қажеттілігі β-кристалды сегменттер мен қабаттар арасындағы реакцияларды реттейтін бүйір тізбектерді пайдалануды болдырмайды, бұл синтетикалық жібек талшықтары үшін маңызды мәселе болып табылады.

Полиаланин суды итеру және жібек талшығын өндіруде бір аланинге қарағанда айтарлықтай жақсы. Полиаминқышқылдарына (Poly-Ala, Poly-Val, Poly-Ile) негізделген Zipper дерекқорынан алынған болжамдар суды итеретін полиаминқышқылдарының көбірек тұрақты β-ламельді ядролық өзара әрекеттесулерді тудыратынын көрсетеді. Өрмекшінің бұл екі аминқышқылын макроампулярлы жібек ақуызы ретінде пайдаланбауының себебі оның салыстырмалы түрде күшті суды итеру қабілетіне және мұндай қайталанатын аймақтар эндоплазмалық оментумнан өткен кезде ұсталып қалуы мүмкін екендігіне байланысты болуы мүмкін. Әрине, бүгінгі технология эукариоттық жүйелерде валин және изолейцин сияқты аминқышқылдық тізбектерді басқа тізбектерге байланыстырып, оларды тікелей жасуша ішінде экспрессиялау арқылы жасанды өрмекші жібек талшықтарын синтездеуге мүмкіндік берді, бұл эндоплазмалық торды кесіп өту қажеттілігін болдырмайды. Дегенмен, бұл екі аминқышқылдық тізбектің жоғары гидрофобтығы иесінің ядрода талшықтар өндіруін қиындатады. Әрине, органикалық еріткіштермен жасанды түрде талшықтар жасау және айналдыру ерігіштік талаптарын азайтуы мүмкін, бірақ сонымен бірге күрделі синтетикалық әдістерді қажет етеді.

Жаңа супер жасанды өрмекші жібек талшықтарын синтездеуге арналған жол картасы

Белгілі теориялар мен әдістерге сүйене отырып, авторлар супер жасанды өрмекші жібек талшықтарын синтездеудің жол картасын қорытындылады. Біріншіден, биоинформатикада (кремнийде) қолданылатын әдістерді полиаминқышқылының (поливалды, поли-иле) қайталанатын аймақтарын және тізбек кеңістігін арттыратын нұсқалардан β-кристалдарды синтездеу үшін пайдалануға болады. Бұл алынған кристалдарды өз кезегінде молекулалық динамиканы модельдеу арқылы тұрақтылық пен қаттылыққа бағалауға болады. Өрмекшілердің өздері ұзақ қашықтыққа созылған полярлы емес материалдарды пайдаланып жібек жасай алмайтындықтан, жаңадан енгізілген элемент синтетикалық жібекте кейбір артықшылықтар әкелетіні сөзсіз. Әрине, жаңа синтезделген β-кристалдармен пайда болған қайталанатын аймақтарды молекулалық динамиканы модельдеу және эксперименттік сынақтар арқылы да бағалау қажет. Соңында, иіру арқылы алынған жаңа синтетикалық жібек талшықтарын өрмекшілер шығарған жібек талшықтарымен салыстыру үшін механикалық қасиеттері мен құрылымдары бойынша тексеруге болады.