Forscher der Southwest University in China haben die gesamte Genomanordnung im chromosomalen Maßstab und den vollständigen Spidroin-Gensatz der Golden Orb-Webing Spider, Trichonephila clavata, konstruiert, die für ihre besonders starken, goldfarbenen Netze bekannt ist.
Sie bescheinigen, dass ihre Arbeit „mehrdimensionale Daten liefert, die das Wissen über die Erzeugung von Spinnen-Schleppleinen-Seide erheblich erweitern …“, und die Forscher planen, diesen neuen „molekularen Atlas“ zu verwenden, um besser zu verstehen, wie Spinnen ihre Seide herstellen.
Veröffentlicht in der Zeitschrift Naturkommunikationbeschreibt das Papier die Schritte, die die Forscher unternommen haben, vom Einfangen wilder Spinnen bis zur multiomischen Analyse, um das Zusammenspiel von Genen innerhalb der großen Ampullendrüse der Spinne aufzudecken, der Drüse, die für die Produktion von Schleppleinenseide verantwortlich ist.
Spinnenseide ist ein wahres Materialwunder mit vielen potenziellen medizinischen und industriellen Anwendungen. Es ist leichter und stärker als Stahl und behält gleichzeitig eine elastische Dehnfähigkeit, die mit Gummi konkurriert. Im Gegensatz zu vielen synthetischen Materialien ist Spinnenseide ungiftig, biologisch abbaubar und biokompatibel, was sie zu einem idealen Material für chirurgische Implantate, Biosensoren und Geweberekonstruktionen macht.
Die einzige Einschränkung bei der Verwendung von Spinnenseide als Ersatz für eine lange Liste von Materialien, die wir derzeit verwenden, ist, wie schwierig es ist, sie herzustellen. In der Vergangenheit gab es Bemühungen, die Proteine in Ziegenmilch von einer Firma namens Nexia herzustellen, und es funktionierte, aber nicht in einem für die Massenproduktion erforderlichen Maßstab.
Und trotz der offensichtlichen Vorteile von Spinnenseide hat sich niemand dafür eingesetzt, mit der Spinnenzucht in dem erforderlichen Umfang zu beginnen. Die Forscher erwarten, dass sie durch ein besseres Verständnis der Seidenproduktion auf molekularer Ebene bei Spinnen praktische Erkenntnisse gewinnen werden, um dabei zu helfen, dieses beispiellose Material auf den Markt zu bringen.
Erstellen eines molekularen Atlas mit Multiomics
Um das Genom zu erhalten, verwendete das Forschungsteam die Oxford Nanopore-Plattform, die die umfangreichsten zusammenhängenden Lesevorgänge aller Gensequenzierer erzeugen kann, sowie Illumina-Sequenziermaschinen für genauere und dennoch kürzere Leseerfassungslängen und Hi-C für die Chromosomenkartierung. Durch die Kombination dieser drei unterschiedlichen Sätze genomischer Daten waren die Forscher in der Lage, ein detailliertes Modell des chromosomalen Genomaufbaus und des vollständigen Spidroin-Gensatzes der Spinne bioinformatisch zu rekonstruieren.
Mit diesen genomischen Daten können Verbindungen zwischen der Genexpression und letztendlich den in Spinnenseide gefundenen Proteinen hergestellt werden, und genau das taten die Forscher als nächstes. Das Team führte eine Analyse des Transkriptoms (Boten-RNA), des Proteins und des Metaboliten (Signalmolekül) der drei Segmente der großen Ampullendrüse durch; Schwanz, Sack und Gang.
Flüssigchromatographie-Massenspektrometrie-Analyse identifizierte 28 Proteine: 10 waren Spidroine, die Proteine, aus denen Spinnenseide besteht, 15 waren Elemente, die Spinnenseide bilden, und eines war mit Gift verwandt. Mit den identifizierten Kernkomponenten konnten die Forscher sie in der Reihenfolge der intensitätsbasierten absoluten Quantifizierung einordnen.
Weitere Analysen ermöglichten es ihnen, die spezifischen biologischen Funktionen von Schwanz, Sack und Gang im Zusammenhang mit der Seidenproduktion basierend auf der Funktion von Genen und Genprodukten zu charakterisieren. Die Tail-Omics drehten sich hauptsächlich um die Synthese organischer Säuren, die im Sac konzentrierten sich hauptsächlich auf die Lipidproduktion, und die Duct-Omics betrafen den Ionenaustausch und die Chitinsynthese.
Frühere Forschungen haben einige Elemente gefunden, die in der aktuellen Studie entdeckt wurden, aber keine hat das Gesamtbild so vollständig und umfassend zusammengesetzt.
Mehr Informationen:
Wenbo Hu et al., Ein molekularer Atlas enthüllt den dreiteiligen Spinnmechanismus von Spinnenschleppseilseide, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-36545-6
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