Předností pavoučích vláken je jejich jemnost pružnost a pevnost (průměr vlákna je přitom pouhé 3 až 4 mikrony) Kredit: Yintan, Wikipedia, CC BY 4.0.

Fuzhong Zhang je Číňan pracující na McKelvey School of Engineering, což je výzkumné pracoviště spadající pod Washington University (USA). Zpočátku Zhang pracoval s pavoučími vlákny, ale protože je s pavouky těžká domluva, v roce 2018 jeho laboratoř vytvořila bakterie, které jejich proteiny zvládly produkovat také.

Materiál z nichž lze spřádat vlákno podobné pavoučímu, dovedou i bakterie Escherichia Coli. Na snímku z elektronového mikroskopu jsou 10 000× zvětšeny. Foto: Eric Erbe, volné dílo.

A protože rekombinantní pavoučí hedvábí sneslo porovnání s přirozeným protějškem ve všech důležitých mechanických vlastnostech, ze Zhanga se rázem stal světově uznávaný bioinženýr. Ruka páně s prostředky na další výzkum se mu otevřela a jen v předloňském roce obdržel dvoumilionový dolarový grant. My se dnes podíváme na část z toho, co se mu za ty dva roky podařilo vyzkoumat.

Před měsícem Zhangův tým ve specializovaném časopise ACS Nano informoval o fúzi amyloidových peptidů s flexibilními linkery ze spidroinu a že strukturální analýzy vláken odhalují přítomnost β-nanokrystalů. V překladu do lidštiny to znamená, že se znovu učil od pavouků a k přípravě svých vláken použil pavoučí spidroin.

Amyloid je označení pro agregát proteinů pro něž je charakteristické že je lze vizualizovat „kongo červení“. Vlastní název je poněkud nešťastný. Pochází totiž z doby, kdy se Rudolf Virchow z pitevních nálezů domníval, že jde o škrob, nebo glykogen (amylon je řecký výraz pro škrob). Amyloidy začaly být spojovány s  neurodegenerativními poruchami. Časem se ukazuje, že jich bude mnohem více. Momentálně mají na triku 50 lidských onemocnění označovaných jako amyloidóza. Za příčinu je dávána ochota amyloidních monomerů polymerovat a jejich fibrilární charakter náchylný k „zašmodrchání“ - změně konformační struktury (viz prionové choroby). Kredit mikrofotografie s narůžovělými homogenními amyloidovými ložisky: Michael Feldman, MD, PhD University of Pennsylvania School of Medicine. CC BY 2.0.

Spidroin je hlavní protein, který pavouci tvoří ve svých snovacích žlázách. Pro většinu z nás asi bude překvapením, že to není tak, že by kapalina vytlačovaná z bradavek na pavoučím zadečku tuhla po kontaktu se vzdušným kyslíkem (jak se traduje), ale že jde o změnu vnitřní struktury vylučovaného proteinu. To znamená, že zpočátku je protein ve formě monomeru a teprve až v průběhu vylučování se tento monomer mění agregací do nanovláken a dalším následným spojováním různých typů spidroinů dává vznik vláknům, která lze natáhnout na 135 % původní délky, aniž by se přetrhla a z nichž pavoučí nožky spřádáním vykouzlí sítě.

Amyloid prionového pentameru. Kredit: Wasmer, C., et al.: Protein Data Bank, CC BY 4.0

Nyní se dostáváme k tomu podstatnému. I když se ví, z čeho pavouci svá vlákna dělají, vyrábět je průmyslově, se nedaří. Zhangův tým ale možná řešení našel. Místo chovu pavouků a nebo klasické syntetické chemie, využil schopnosti bakterií. Také ony, když se jim správně domluví, začnou tvořit pavoučí protein. Tedy pokud anti gmo aktivisté nevypálí laboratoř a nebo úředníci v rámci předběžné opatrnosti hrátky s genomem nezakáží legislativně. Pravdou je, že bakterie dlouhé proteiny tvoří nerady, a pokud jde cizí molekulu spidroin, obzvlášť. To vedlo Zhangův tým k nápadu využít k tvorbě vláken amyloidní peptid. I ten agreguje podobně, jako pavoučí spidroin a za jistých okolností vytváří stabilní nanofibrily.

Získat amyloidní peptid není až takový problém, to umí řada pracovišť, ale fígl je v tom, že Zhangovu týmu se daří získat amyloidní rekombinantní peptidy vylepšené upravenými aminokyselinovými sekvencemi proteinů z pavoučího vlákna. A to je cesta k získávání vláken se zvlášť atraktivními vlastnostmi. O této nové strategii výroby vláken fúzí amyloidových peptidů s flexibilními linkery ze spidroinu se začne brzo hodně mluvit. Proč?

V zásadě platí, že čím delší je proteinová molekula, tím je z něj získané vlákno silnější a odolnější. Z nedávno publikované práce je zřejmé, že se Zhangovu týmu daří vytvořit dostatečně dlouhé hybridní molekuly schopné agregace a že se tato vlákna dají mokrou cestou zvlákňovat do makroskopických vláken. To je ten prví důvod - technologicky výrobní schůdnost získávání vláken.

Polymerní amyloidové vlákno. (Kredit: Jingyao Li)

Tím druhým je, že jejich získaná makroskopická vlákna mají „gigapaskální pevnost“ – jejich pevnost v tahu je vskutku obdivuhodná. Síla potřebná k přetržení vlákna s daným průměrem je větší, než pro drát z běžné oceli. Ani za svou houževnatost se nové vlákno nemusí stydět. K přetržení je potřeba vydat více energie, než jakou se chlubí kevlar. Jako perličku autoři uvádějí, že pevnost a elasticita jejich rekombinantních amyloidových vláken jsou dokonce vyšší než jaká se uvádí u některých vláken přírodního pavoučího hedvábí.

Fuzhong Zhang, vedoucí kolektivu - absolvent  Pekingské university, profesor chemického inženýringu na Washington University in St. Louis.

Na téma bakteriální syntézy polymerních materiálů vyšly v průběhu jednoho měsíce dvě významné práce. O té druhé informuje neméně uznávaný časopis - Nature. A jde rovněž o poznatky z dílny Zhangova kolektivu. Tentokrát se jejich práce týká proteinu titinu. Tuto jejich studii bychom kvůli zmíněnému titinu mohli překřtít na: „Oděvy a doplňky ze svalových vláken“. Sekvenci pro tvorbu proteinu titinu, kterou pak použili ke svým hrátkám s bakteriemi, si vědci vypůjčili z lýtkového svalu. Nejspíš aby veřejnost moc neprudili, tak z králičího. Sekvenci pro tvorbu titinu upravili tak, aby vyhovovala jejich oblíbené bakterii Escherichia coli. Do jejího genomu fragment DNA s patřičnou nukleotidovou sekvencí vpravili pomocí vektoru. Pak už jen střevní bakterii dopřáli klid a oblíbenou potravu.

Polymerovaný svalový protein titin spředený do vlákna by měl být využitelný ve zdravotnictví, oděvním průmyslu, i k výrobě ochranných prostředků pro armádu a policii. (Kredit: Fuzhong Zhang Lab)

Bakterie podle do jejich genomu vpašovaného pokynu tvořily to, co měly - savčí svalový protein s vysokou molekulovou hmotností zvaný titin. Lze to považovat za velký krok mikrobiologie, neboť se podařilo mikroby tvořit proteinovou molekulu, která nejen, že je cizí, ale dá se spřádat do vláken kvalitou podobných těm pavoučím. Podle vědců je to materiál vhodný všude tam, kde je potřeba vysoká pevnost a pružnost. Například u tkaniček do bot, opasků, lehkých neprůstřelných vest, a nebo jen jako zpevňující součást vláken tkanin. V případě lidského titinu půjde o biokompatibilní materiál nevyvolávající alergické reakce a vhodný například k šití ran. Vlákna z titinu jsou totiž, podobně jako ta předešlá, také pevnější, než hedvábí, nylon i kevlar.

Asi tím nejdůležitějším na celé práci je, že se podařilo vytvořit technologickou platformu, kterou lze upravit bakterie, aby samy zajistily možnost poskládání menších segmentů proteinu do polymerů s ultra vysokou molekulovou hmotností. V tomto případě o velikosti přibližně dvou megadaltonů, což je 50krát více, než má jejich běžný bakteriální protein. Vyprodukovaný materiál lze například spřádat a měnit ve vlákna o průměru přibližně 10 mikronů nebo desetině tloušťky lidského vlasu. Představená technika by postupně měla získat široké uplatnění, jehož rozsah si v tuto chvíli jen těžko představit.

Literatura
Jingyao Li, et al.: „Microbially Synthesized Polymeric Amyloid Fiber Promotes β-Nanocrystal Formation and Displays Gigapascal Tensile Strength“. ACS Nano 2021 , 15 , 7 , 11843–11853

Christopher H. Bowen, et al.: „Microbial production of megadalton titin yields fibers with advantageous mechanical properties“. Nature Communications  12, Article number: 5182 (2021)

Washington University McKelvey School of Engineering 2021