Téma

The Conversation: Pavoučí sítě ukazují směr k léku na Alzheimerovu chorobu

Lidé mohou pavoukům leccos závidět. Představte si, že byste dokázali produkovat svá vlastní vlákna. Rozhazovali byste sítě, abyste se dostali z místa na místo, měli vždy po ruce bezpečnostní lano silné jako ocel, nebo si upředli pohodlnou houpací síť, kdykoli byste si chtěli dát šlofíka. Díky fascinujícím vlastnostem pavoučího vlákna není divu, že se vědci již desítky let snaží objasnit některá jeho tajemství. Poslední výzkum přinesl překvapivou souvislost mezi pavoučími vlákny a neurodegenerativními onemocněními. Material Times přináší článek webu The Conversation, ve kterém vědci shrnují své překvapivé poznatky z výzkumu pavoučího vlákna.

The Conversation: Pavoučí sítě ukazují směr k léku na Alzheimerovu chorobu
The Conversation: Pavoučí sítě ukazují směr k léku na Alzheimerovu chorobu

Autoři: Michael Landreh a Anna Rising (Karolinska Institutet) • Překlad: Jakub Fousek • Foto: Erwan Hesry/Unsplash

Pokud by se nám podařilo pochopit a reprodukovat proces, jakým pavouci spřádají svá vlákna, otevřela by se možnost výroby umělého pavoučího vlákna vhodného pro použití v řadě lékařských postupů.Tento materiál může například pomoci při regeneraci nervů, které spojují náš mozek s končetinami a dokáže také přepravovat molekuly léků přímo do buněk, ve kterých jsou potřeba.

Pavoučí vlákno se skládá z proteinů zvaných spidroiny, které si pavouci shromažďují ve snovací žláze umístěné na zadečku. Spidroiny se dělí na několik typů, z nichž každý slouží ke spřádání jiného druhu vlákna. Tyto proteiny si pavouci kupodivu ukládají ve formě kapaliny, která se podobá kapičkám oleje.

Jakým způsobem však pavouci mění tyto kapičky do podoby vlákna? To je jedna z otázek, na níž vědci dosud nemají jednoznačnou odpověď. Abychom se posunuli o krok blíže k replikaci procesu spřádání, rozhodli jsme se prozkoumat, co přesně za kapalnou formou spidroinů stojí.

Tkaní pavučin

Techniku, kterou pavouci používají k urychlení svého procesu tkaní pavučin, lze využít ke spřádání dokonalejšího umělého hedvábí, nebo dokonce k vývoji zcela nových postupů předení.

Napodobením snovací žlázy jsme v roce 2017 zjistili, jak tato syntetická hedvábná vlákna vyrábět. Až dosud však nebylo jasné, jak celý proces uvnitř těla pavouka probíhá. Nyní již víme, že prvotní vytvoření kapiček urychluje následnou přeměnu na samotná vlákna.

Důležitý klíč k tomu, jak spolu tyto kapičky a vlákna souvisejí, nečekaně přinesla oblast našeho výzkumu zabývající se Alzheimerovou a Parkinsonovou chorobou. Proteiny zvané alfa-synuklein a tau, které jsou s těmito onemocněními spjaty, se mohou v lidských buňkách shlukovat do malých kapiček podobných oleji, stejně jako je tomu u pavouků, kteří si v této formě uchovávají protein spidroin. To by mohlo znamenat, že stejný mechanismus, který u lidí způsobuje neurodegenerativní poruchy, pomáhá pavoukům přeměňovat kapalné spidroiny na pevná hedvábná vlákna. Mechanismus způsobující neurodegenerativní poruchy u lidí funguje následovně:

Tau je protein, který pomáhá stabilizovat vnitřní kostru nervových buněk (neuronů) v mozku. Tato vnitřní kostra má tvar trubice, skrze níž živiny a další důležité látky putují do různých částí neuronu. U Alzheimerovy choroby dochází k hromadění abnormální formy tau proteinu, která následně obaluje normální tau proteiny a vytváří takzvaná „klubka“.

Druhý protein, alfa-synuklein, se zase nachází především v nervových buňkách produkujících dopamin. Abnormální formy tohoto proteinu jsou spojovány s Parkinsonovou chorobou.

Olejovité kapičky se z těchto proteinů utvářejí po jejich zamotání a utvoření klubek – jako když si na vidličku namotáte špagety. Zprvu jsou ale oba tyto proteiny pružné a elastické, podobně jako olejovité kapičky spidroinu.

Pokud však proteiny zůstanou zamotané, dojde k jejich slepení, změně tvaru a následnému přetvoření na pevná vlákna. Ta mohou být pro lidské buňky toxická – například během neurodegenerativních onemocnění typu Alzheimerova choroba.

Způsob vytváření pavoučího vlákna je podobný procesu, který je příčinou neurodegenerativních onemocnění. Foto: Joe Dudeck/Unsplash

Právě spidroiny rovněž vytvářejí kapičky, což nás přimělo přemýšlet o tom, zda stejný mechanismus pomáhá pavoukům přeměňovat kapalné spidroiny na vlákna.
K rozmotání této pavučiny záhad jsme použili syntetický spidroin zvaný NT2RepCT, který lze vyrobit za pomoci bakterií. Pod mikroskopem bylo patrné, že po rozpuštění ve fosfátovém pufru (druh soli, který se nachází ve snovacích žlázách) vytváří tento syntetický spidroin kapičky. To nám umožnilo replikovat spřádání pavoučího vlákna v laboratorních podmínkách.

Spletitá věda

Dále jsme zkoumali, jak se proteiny spidroinu při tvorbě kapiček chovají. Abychom tuto otázku zodpověděli, použili jsme analytickou techniku zvanou hmotnostní spektrometrie, pomocí níž jsme změřili, jak se při tvorbě kapiček mění hmotnost proteinů. K našemu překvapení jsme zjistili, že proteiny spidroinu, které obvykle tvoří páry, se místo toho rozdělily na jednotlivé molekuly.

K zodpovězení toho, jak pavoukům tyto kapičky proteinů pomáhají spřádat vlákno, bylo ale zapotřebí další práce. Předchozí výzkum ukázal, že spidroiny mají různé části, takzvané domény, jež plní každá svou vlastní funkci.

Koncová část spidroinu, nazývaná c-terminální doména, umožňuje proteinům vytvářet páry. Když c-terminální doména navíc přijde do kontaktu kyselinou, začne tvořit vlákna. Vyrobili jsme proto spidroin, který obsahoval výhradně c-terminální doménu, a následně otestovali jeho schopnost tvořit vlákna.

Když jsme tentokrát pomocí fosfátového pufru tyto proteiny zamotali do klubek a proměnili je tak na kapičky, okamžitě se z nich stala pevná vlákna. Po přidání kyseliny bez předchozího vytvoření kapek trvala tvorba vláken podstatně déle.

I tento jev má svou logiku, neboť molekuly spidroinu se při tvorbě vlákna musí nejprve navzájem najít. Zamotáním spidroinů do klubek, podobně jako u zmiňovaných špaget, lze proto hedvábná vlákna formovat výrazně rychleji.

Díky tomuto zjištění víme, jakým způsobem pavouci zvládají proteiny spidroinu v mžiku přeměnit na pevné nitě. Zároveň jsme tak odhalili, že stejný mechanismus, který způsobuje toxicitu proteinů v lidském mozku, příroda využívá k vytváření jedné ze svých nejpodivuhodnějších struktur.

Tato překvapivá paralela mezi spřádáním pavučin a vlákny toxickými pro člověka by jednoho dne mohla přinést klíčové poznatky v oblasti boje proti neurodegenerativním poruchám.

Výzkum pavoučího vlákna ve spojení s novými informacemi o jednotlivých doménách, ze kterých se vlákno skládá, mohou vědci využít k tomu, aby se proteinům v lidském mozku zamezilo se zamotávat. Tím by přestaly být pro naše tělo toxické. Pokud si své lepkavé proteiny zvládají udržet na uzdě pavouci, možná to dokážeme i my.