Institutionen för Molekylära Biovetenskaper. Projektarbete I Biokemi. Spindeltråd. Spider Silk. Louise Andersson Hans Sörman

Transkript

1 Institutionen för Molekylära Biovetenskaper Projektarbete I Biokemi Spindeltråd Spider Silk Louise Andersson Hans Sörman Handledare BIOKEMI 10p Stefan Knight

2 Introduktion Spindlar och spindelnät återfinns på alla möjliga och omöjliga platser runt om i världen. Då man försöker ta bort nät som är olämpligt placerade så inser man hur starkt ett deras nät egentligen är trots att tråden inte har en diameter större än 1nm. Detta försöker nu forskare ta vara på genom att dels ta reda på den aminosyrasekvens som ger upphov till de starka proteiner som bygger upp en tråd och sedan ett spindelnät. Denna vetskap ska sedan eventuellt kunna tillämpas vid framställning av till exempel skottsäkra västar samt benspikar att använda inom kirurgi. Ur en biologisk synvinkel En spindel spinner upp till 7 olika typer av trådar beroende på vad den ska användas till. Fångsttråd, kokong eller den tråd som spindeln konstant spinner när den rör sig, en så kallad dragline, är några exempel. Figur 1. Bild på dragline från Nephila clavipes tagen med elektronmikroskop. (Dr. K. Augsten) Denna tråd kan användas som en flykttråd om spindeln snabbt skulle behöva fly eller förflytta sig till en annan plats. En annan typ av trådar är så kallade fångst/signal linor som övervakar vandrande byten (Foelix, 1996). Vissa spindlar bygger en typ av luftfilter vars uppgift det är att fånga insekter som flyger med hög hastighet. Ett spindelnät har en blandning av trådar med hög och låg tänjbarhet och är därigenom ett bra exempel på den

3 ingenjörsvetenskap som spindlarna besitter (Witt m.fl., 1968). Ett typiskt spindelnät består av en ram av stödtråd som stödjer upp ett hjulformat nät. Detta nät stödjer i sin tur upp den klibbiga tråd som löper utmed spiralen. En mjuk spiral och en tät radie samarbetar för att fånga och sedan hålla kvar bytet i nätet (Foelix, 1996). Den klibbiga spiralens yta består av till 80% vatten (Tillinghast och Townley, 1987) med klistriga glykoproteiner (Tillinghast och Sinohara, 1984). De två huvudtrådarna som används i spindelnät har olika mekaniska egenskaper. Den fuktiga, klibbiga och mjuka spiralen absorberar energi vid stor uttänjning (upp till 500%). Den plastlika tråden utvecklar substantiella krafter först efter % uttänjning. Då tråden har tänjts ut % går den av (Vollrath och Edmonds, 1989; Köhler och Vollrath, 1995). Figur 2. Bild föreställande ett spindelnät. Beroende på trådens användningsområde så har den olika aminosyrasekvener och mekanisk struktur (Andersen, 1970; Work och Young, 1987; Kaplan, 1990; Lombardi och Kaplan, 1990). Både det inre och det yttre fysiska tillståndet har påverkan på silkesproduktionen och på så vis den färdiga trådens mekaniska funktion. Ett argument för detta kan vara det att silke är optimerat för ett brett område av förhållanden samt att det är en fördel att kunna ändra sig efter de snabba men temporära ändringarna i miljön som tex väderförhållande.

4 Ur en biokemisk synvinkel Spindeltråd är ett extraordinärt material med stor töjbarhet och kan jämföras med kommersiellt viktiga ämnen så som kol- och aramidfiber (aramider = aromatiska polyamider). Tråden är segare och kräver större energi för att den ska gå av än vad de ovannämnda ämnena skulle behöva. Tråden tillverkas i ett biologiskt system där att det finns en begränsning i den kemiska repertoaren samt i antalet akvatiska lösningsmedel (Aksey m.fl. 1992) vilket visas i den repetitiva aminosyrasekvensen. Ett flertal aminosyrasekvenser har under det senaste åren tagits fram med hjälp av klonade cdna-sekvenser från proteinerna MaSp 1 och MaSp 2 (Xu och Lewis, 1990; Hinman och Lewis, 1992; Guerette m.fl., 1996; Colgin och Lewis, 1998; Hayashi och Lewis, 1998). Proteinerna MaSp1 ( major ampullate spider silk 1, även kallat spidroin 1) och MaSp2 ( major ampullate spider silk 2, även kallat spidroin 2) utgör det som kallas för just Major ampullate silk. Samma gäller för Minor ampullate spider silk där proteinerna MiSp1 och MiSp2 utgör tråden. Dessa två trådar har snarlika funktioner och har därför nästan samma sekvens. MaSp1 och MaSp2 återfinns i nätets ytterkanter samt i de bärande linor som går från nätets mitt och ut till ytterkanten. Dessa två trådar står för nätets bärande struktur. (Hinman, Justin och Lewis, 2000) I spindeltrådens aminosyrasekvens finns fyra återkommande mönster av aminosyror som i sin tur bildar specifika strukturer i proteinets sekundärstruktur. Dessa mönster samt deras struktur är enligt följande: 1. GPGXX - vanligtvis GPGQQ, en återkommande enhet som föreslås ge upphov till en b-spiral. 2. (GA) n /A n ger upphov till ett betaflak 3. GGX är troligtvis en helix innehållandes tre aminosyror per turn, en så kallad 3 10 helix. 4. Spacers innehåller laddade grupper och delar in de upprepade grupperna i olika bitar. Spacers funktion är fortfarande okänd men man tror att den kan finnas med av organisatoriska skäl. (Hinman, Justin och Lewis, 2000)

5 Figur 3a. MaSp sekvens som visar de alaninrika b-flaken (markerade med grått) och de glycinrika oregelbundna formerna. Figur 3b visar den sekundära strukturen hos silkesinspirerade multiblockerande copolymerer. Nederst så visas strukturerna för dessa.

6 Figur 4. Modell för strukturarrangemanget i en tråd, där A är alaninrika b-flak, B är oregelbunden struktur och C är en glycinrik böj.

7 I spindeltråd kan man identifiera en struktur med omväxlande glycinrika och polyalaninrika sekvenser. Utmärkande för tråden är även att sekvenserna är repetitiva och variationen ibland aminosyrorna är liten. De omväxlande segmenten med glycin och polyalanin gör att trådens struktur innehåller omväxlande hårda och mjuka segment där glycin utgör de mjuka segmenten och polyalanin de hårda. Figur 5. Spindeltråd i genomskärning. Proteinet spidroin 1 eller MaSp1 består av en tandemvariant av en 33-rest överensstämmande sekvens; [A GQG GYG GLG SQG A GRG GLG GQG A GA 6 GG] (Xu och Lewis, 1990). Proteinet har en blockad copolymerstruktur i vilken en polyalaninrikt hårt segment alternerar med ett glycinrikt mjukt segment. Figur 6. Bilden visar aminosyrasekvensen för spindeltråd.

8 Bioteknologisk tillämpning Det kommersiella värdet för spindeltråd och andra proteinpolymerer kommer att bero på utvecklingen av biologiska system för att framställa proteinerna kostnadseffektivt. Mikrobiella system har fördelen att det har en kortare utvecklingstid och en större flexibilitet. En enda jäsningsanläggning skulle kunna producera ett större antal olika applikationsspecifika produkter av proteinpolymerer med hög hastighet endast genom att ha olika programmerade värdorganismer (Fahnestock m.fl., 2000). Dessa värdorganismer kan till exempel vara jäst eller bakterien E. Coli. Hög elastisitet och motståndskraft mot mekanisk påverkan så väl som att det tål temeraturer upp till 200 c utan att strukturen påverkas, gör att spindeltråd och dess proteiner är mycket intressant som ett framtida biomaterial samt som en grund för vävnadsframställning. Möjliga användningsområden tros finnas inom biomedicin, textilteknologi samt inom personlig hygien, då främst inom kosmetik. Inom biomedicin så är användningsområdet stort. Suturtråd vid operationer, membran uppbyggda av biomaterial och till och med en så använd produkt som kontaktlinser kan komma att bli aktuella som användningsområden i framtiden. Det finns dock fortfarande ett problem som behöver lösas och det är att man måste få fram ett sätt att ta fram större mängder silke eller protein till en så låg kostnad som möjligt. När denna fråga är löst så kan man börja fundera på inom vilka områden som man kan tillämpa denna nya teknologi ( C. Wong Po Foo och D.L. Kaplan, 2002)