Ricerche

Dovremmo davvero invidiare i ragni. Immagina di essere in grado di produrre seta come loro, lanciarla intorno per andare da un posto all'altro, avere sempre una linea di sicurezza forte come acciaio o filare un'amaca comoda ogni volta che hai bisogno di riposo.

Non meraviglia che gli scienziati stiano cercando da decenni di svelare i segreti delle affascinanti proprietà della seta del ragno. Se potessimo capire e ricreare il processo di filatura, potremmo produrre seta di ragno artificiale per una serie di applicazioni mediche. Ad esempio, la seta artificiale può aiutare a rigenerare i nervi che collegano il nostro cervello e gli arti e può spingere le molecole di farmaco direttamente nelle cellule in cui sono necessarie.

La seta di ragno è realizzata con proteine chiamate spidroine, che il ragno conserva in una ghiandola della seta nel suo addome. Esistono diversi tipi di spidroine per filare diversi tipi di seta. I ragni le conservano come liquido che ricorda le goccioline di olio.

Ma una delle domande che finora hanno eluso gli scienziati è come riescono i ragni a trasformare queste goccioline liquide in seta. Abbiamo deciso di indagare sul perché le spidroine formano le goccioline, per avvicinarci alla replica del processo di filatura del ragno.

Tessere una ragnatela

Il trucco dei ragni per accelerare il processo di filatura può essere usato per filare una seta artificiale migliore o persino sviluppare nuovi processi di filatura. Nel 2017, abbiamo imparato a realizzare fibre di seta sintetiche emulando la ghiandola di seta, ma non sapevamo come funzionano le cose all'interno del ragno.

Ora sappiamo che la formazione di goccioline accelera la conversione in queste fibre. Un indizio importante su come sono collegate goccioline e fibre proviene da un'area inaspettata della nostra ricerca - quella sul morbo di Alzheimer (MA) e di Parkinson (MP). Le proteine che sono coinvolte in queste malattie, chiamate alfa-sinucleina e tau, possono assemblarsi in piccole goccioline simili a olio nelle cellule umane.

La tau è una proteina che aiuta a stabilizzare lo scheletro interno delle cellule nervose (neuroni) nel cervello. Questo scheletro interno ha una forma simile a un tubo attraverso la quale viaggiano i nutrienti e altre sostanze essenziali per raggiungere diverse parti del neurone. Nel MA, una forma anormale di tau si accumula e si aggrappa a proteine tau normali, creando i 'grovigli tau'.

L'alfa-sinucleina si trova in grandi quantità nelle cellule nervose che producono dopamina. Le forme anormali di questa proteina sono legate al Parkinson. Le goccioline d'olio di una di queste proteine si formano nell'uomo quando si intrecciano, come spaghetti cotti nel piatto. Inizialmente, le proteine sono flessibili ed elastiche, molto simili a goccioline di olio spidroina.

Ma se le proteine rimangono impigliate, si bloccano insieme alterando la loro forma, diventando fibre rigide. Queste possono essere tossiche per le cellule umane, ad esempio nelle condizioni neurodegenerative come nel MA.

Tuttavia, anche le spidroine possono formare goccioline. Questo ci ha indotto a chiederci se lo stesso meccanismo che provoca la neurodegenerazione nell'uomo potrebbe aiutare il ragno a convertire le spidroine liquide in fibre di seta rigide.

Per scoprirlo, abbiamo usato una spidroina sintetica chiamata NT2RepCT, che può essere prodotta dai batteri. Al microscopio, abbiamo potuto vedere che questa spidroina sintetica formava goccioline liquide quando è stata sciolta in una soluzione di fosfato, un tipo di sale che si trova nella ghiandola di seta del ragno. Questo ci ha permesso di replicare le condizioni di filatura della seta di ragno in laboratorio.

Scienza setosa

Successivamente, abbiamo studiato come agiscono le proteine spidroine quando formano goccioline. Per rispondere a questa domanda, ci siamo rivolti a una tecnica di analisi chiamata spettrometria di massa, per misurare come cambia il peso delle proteine quando formano goccioline. Con nostra sorpresa, abbiamo visto che le proteine spidroine, che normalmente formano coppie, si sono invece divise in singole molecole.

Avevamo bisogno di più lavoro per scoprire come queste goccioline proteiche aiutano i ragni a filare la seta. Ricerche precedenti hanno dimostrato che le spidroine hanno parti diverse, chiamate domini, con funzioni separate. La parte finale della spidroina, chiamato dominio C-terminale, la induce a formare coppie. Il C-terminale inizia anche la formazione di fibre quando viene a contatto con acido.

Quindi, abbiamo realizzato una spidroina che conteneva solo il dominio C-terminale e abbiamo testato la sua capacità di formare fibre. Quando abbiamo usato la soluzione fosfato per intrappolare le proteine in goccioline, si sono trasformate istantaneamente in fibre rigide. Quando abbiamo aggiunto acido senza prima realizzare goccioline, la formazione di fibre ha richiesto molto più tempo.

Questo ha senso poiché le molecole di spidroina devono trovarsi l'una con l'altra quando formano una fibra. Intrecciandosi come spaghetti, le spidroine sono aiutate ad assemblarsi rapidamente in seta.

Questa scoperta ci dice come il ragno può convertire istantaneamente le sue spidroine in un filo solido. E ci ha anche fatto scoprire che la natura usa lo stesso meccanismo che può rendere tossiche le proteine del cervello per creare alcune delle sue strutture più incredibili. Il parallelo sorprendente tra la filatura della seta di ragno e le fibre tossiche nell'uomo potrebbe un giorno portare a nuovi indizi su come combattere i disturbi neurodegenerativi.

Gli scienziati possono usare la ricerca sulla seta di ragno, compreso ciò che abbiamo imparato sui domini della seta di ragno, per impedire alle proteine umane di incollarsi insieme, per impedire loro di diventare tossiche. Se i ragni possono imparare a tenere sotto controllo le loro proteine appiccicose, forse possiamo farlo anche noi.