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Nov 11, 2023

Un atlante molecolare rivela il tri

Nature Communications volume

Nature Communications volume 14, numero articolo: 837 (2023) Citare questo articolo

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Il processo di produzione della seta naturale nella ghiandola ampolla maggiore del ragno (Ma) conferisce alla seta della dragline straordinarie proprietà meccaniche e il potenziale per applicazioni biomimetiche. Tuttavia, il ruolo genetico preciso della ghiandola Ma durante questo processo rimane sconosciuto. Qui, abbiamo eseguito un atlante molecolare sistematico della produzione di seta dragline attraverso un assemblaggio del genoma di alta qualità per il ragno dorato che tesse le sfere Trichonephila clavata e un approccio multiomico per definire l'architettura trisezionale della ghiandola Ma: coda, sacca e condotto. Abbiamo scoperto una biosintesi gerarchica di spidroini, acidi organici, lipidi e chitina nella ghiandola Ma sezionata dedicata alla costituzione della seta fine. La secrezione ordinata degli spidroini è stata ottenuta mediante la regolazione sinergica delle firme epigenetiche e ceRNA per i geni spidroina distribuiti nel gruppo genomico. La profilazione dell'RNA unicellulare e spaziale ha identificato dieci tipi di cellule con divisione funzionale partizionata che determina l'organizzazione in tre sezioni della ghiandola Ma. L'analisi di convergenza e la manipolazione genetica hanno ulteriormente convalidato che questa architettura trisezionale della ghiandola della seta era analoga in tutti gli Arthropoda e indissolubilmente legata alla formazione della seta. Collettivamente, il nostro studio fornisce dati multidimensionali che ampliano in modo significativo la conoscenza della generazione della seta della dragline del ragno e, in definitiva, avvantaggiano l’innovazione nelle fibre ispirate al ragno.

I ragni (ordine Araneae) sono abbondanti predatori di artropodi generalisti che comprendono più di cinquantamila specie esistenti1,2. Tutti i ragni producono sete, fibre proteiche naturali ad alte prestazioni fondamentali per la sopravvivenza e la riproduzione dei ragni3,4. La produzione della seta è un affascinante tratto saliente del ragno di particolare interesse economico, principalmente a causa delle eccezionali proprietà di queste fibre, tra cui elevata resistenza alla trazione e tenacità, bassa densità, attuazione rotazionale autoalimentata e biocompatibilità5,6,7. Numerosi ricercatori hanno cercato di emulare i processi di produzione e filatura della spidroina naturale (le principali proteine ​​della seta del ragno) per la generazione biomimetica di materiali artificiali con proprietà simili alla seta del ragno8,9,10,11; tuttavia, gran parte della nostra attuale comprensione della formazione della seta del ragno si basa su studi fisici e materiali che hanno fornito solo un quadro parziale della sua natura12,13. Pertanto, la delucidazione dei meccanismi biologici molecolari coinvolti nel sistema di produzione della seta naturale sarà preziosa per acquisire una comprensione approfondita della seta del ragno14,15,16,17.

Sebbene i ragni della ragnatela abbiano più ghiandole produttrici di seta, la ghiandola ampullata maggiore (Ma) è spesso utilizzata come sistema modello nella ricerca sulla produzione della seta a causa delle sue dimensioni relativamente grandi e, soprattutto, delle proprietà impressionanti del suo prodotto, la seta dragline18. Di conseguenza, la maggior parte dei tentativi di innovare le fibre ispirate alla seta dragline hanno generalmente coinvolto le proteine ​​della seta e il microambiente prodotti dalla ghiandola Ma11,12,19. La ghiandola Ma può essere divisa in tre segmenti macroscopici, la coda, il sacco e il condotto, caratterizzati da gradienti di valori di pH, concentrazioni di ioni e forze di taglio20,21,22. Le proteine ​​liquide della seta vengono sintetizzate e immagazzinate ad una concentrazione molto elevata nella coda e nella sacca e trasformate in fibra insolubile attraverso il condotto23,24.

In questo contesto, sono stati costruiti spidroini ampullati principali ricombinanti (MaSps) per ottenere proprietà fisiche specifiche della seta, tra cui resistenza, estensibilità e appiccicosità25,26,27. Gli elementi costituenti la seta di ragno (SpiCE), che sono proteine ​​diverse dalla spidroina, sono stati utilizzati per aumentare la resistenza alla trazione nel caso di pellicole di seta composite28,29. Inoltre, un dispositivo microfluidico progettato per simulare fedelmente le condizioni ioniche e di pH naturali ha consentito di estrarre direttamente le fibre dall'uscita e quindi riavvolgerle in aria, come nella filatura naturale30,31,32. Sta diventando evidente che i meccanismi dettagliati alla base della produzione della seta dragline, inclusa l'architettura cellulare e la funzione molecolare della ghiandola Ma, nonché la biocomposizione e la formazione della seta dragline, sono fondamentali per l'innovazione avanzata delle fibre11,33.