Ген подводного клея ручейника эволюционирует с рекордной скоростью, но клейкость не теряет
Исследователи из Университета Юты и Университета Бригама Янга раскрыли необычный генетический парадокс водного насекомого: ген, отвечающий за производство подводного шёлка у ручейников, изменяется с поразительной скоростью, но функцию клея при этом не теряет. Работа опубликована в журнале Molecular Biology and Evolution.
Ручейники — мастера подводного строительства
Ручейники (отряд Trichoptera) — ближайшие родственники бабочек и тутового шелкопряда, расставшиеся с общим предком 270 миллионов лет назад. Если шелкопряды выделяют шёлк на воздухе, ручейники эволюционировали так, чтобы прясть нити в воде. Личинки большинства видов проводят первый год жизни под водой: одни строят из шёлка переносные защитные домики из камешков, листьев или веточек; другие, как изученный в новом исследовании вид Arctopsyche grandis из Уосатских гор Юты, создают неподвижные ловчие сети.
Шёлк ручейников привлекает учёных уже несколько десятилетий. Он держится на мокрых поверхностях, обладает высокой прочностью на растяжение и возвращается к исходной форме после многократного натяжения. Эти качества практически недостижимы для синтетических клеев, которые в воде обычно теряют сцепление. Профессор биомедицинской инженерии Университета Юты Рассел Стюарт, один из пионеров изучения этого вещёства, уже основал стартап Fluidx Medical Technology, разработавший на основе клея другого водного строителя — морского червя-замкостроителя — медицинский эмболизирующий препарат, прошедший клинические испытания.
Генетический парадокс: разнообразие без потери функции
Команда сосредоточилась на гене H-fibroin, кодирующем основной белок шёлка ручейников. Учёные собрали 18 особей A. grandis из двух горных ручьёв — американского вилочного каньона и каньона Даймонд-Форк, разделённых примерно 65 км. После секвенирования геномов и анализа 34 копий гена исследователи обнаружили 24 различных варианта H-фиброина.
Результаты показали: длина шёлковых волокон у разных особей одного вида варьируется до 25%. Ключевой источник этого разнообразия — вставки и делеции целых блоков повторяющихся аминокислотных мотивов. При этом функциональность шёлка сохраняется:
- Высокая прочность сети при огромном разнообразии вариантов гена
- Наиболее ценные структурные блоки остаются строго ограниченными
- Вариации в длине цепей не нарушают трёхмерную укладку белка
- Сеть ловит добычу независимо от длины волокон
«Белок ультраразнообразен, но то, что обеспечивает это разнообразие, очень сжато», — объяснил эволюционный биолог Пол Франдсен (BYU). Это первое исследование, сравнивающее ген шёлка внутри одного вида в природных популяциях.
Перспективы для медицины и инженерии
Открытие важно для разработки синтетических биоклеев — материалов, которые особенно нужны в хирургии и подводных технологиях. Понимание того, какие участки гена жёстко ограничены эволюцией, а какие — нет, подскажет, как проектировать синтетические версии белка без потери клеящих свойств.
Читайте также по теме: новых материалах и технологических процессах.
Конвергентная эволюция подчёркивает универсальность решения: у ручейников и у морского червя-замкостроителя — совершенно не родственных животных — химия клея практически идентична. «Эти животные совсем не связаны между собой, но мы обнаружили одну и ту же химию в их клеях», — отметил Стюарт. Работа финансировалась Национальным научным фондом США, а также Немецким исследовательским обществом и Фондом Гумбольдта.
