クモは「シルク・ドープ」を紡ぎ、自然界最強の素材を生み出す方法

クモは「シルク・ドープ」を紡ぎ、自然界最強の素材を生み出す方法

分子構造を解明することで、生物学者たちは、構造を持たないタンパク質の絡まりが、どのようにして強靭で柔軟な繊維になるのかを明らかにしています。

導入

クモが壁から落ちても、長くは落ちません。数ミリ秒のうちに、タンパク質のスープを丈夫なクライミングギアに紡ぎ出します。細く輝く糸を使い、クモは自身を上に引き上げます。

この糸は、自転車のタイヤや防弾チョッキに使われる合成繊維ケブラーよりも丈夫で、鋼鉄よりも強いです。柔軟性があり、人間の体にも生体適合性があります。科学者たちは、シートベルト、ヘルメット、海軍用資材、さらには脳細胞の修復を助ける足場として、高性能素材をクモの糸から作ることを夢見ています。しかし、クモが「シルク・ドープ」と呼ばれるタンパク質、水、塩の液体混合物を、その絹腺から驚くべき固体へと紡ぐ方法を研究者たちは十分に理解していないため、実験室でのクモの糸の製造はうまくいっていません。

このプロセスの背後にある分子メカニズムをマッピングすることは、「この分野のまさに聖杯」であると、サンディエゴ州立大学の化学者・分光学者であるグレゴリー・ホランド氏は述べています。最近、彼は、液体のクモのシルク・ドープ中の分子が、固体絹繊維になる前に、凝縮物と呼ばれる半液体の液滴へと再編成される方法を説明する研究を主導しました。その結果は、クモの絹工場への原子レベルの洞察です。

この発見は、遺伝プロセスや驚くほど丈夫な生体材料の作成のために、自然が分子を整理するために繰り返し使用してきた凝縮物の形成に関する実用的なガイドでもあります。

「凝縮物が、さまざまな生物にわたる一般的な戦略であることが明らかになりつつあります」と、この研究には関与していないマギル大学の生物材料科学者、マシュー・ハリントン氏は述べています。自然が凝縮物をどのように使用するかを解明することで、科学者たちはその最も頑丈な材料のいくつかを再現することを目指しています。

絹工場

クモは驚くべき天然の工場です。最大7種類の絹を紡ぐことができ、同じクモがしばしばそのうちのいくつかを紡ぐことができます。アキニフォームシルクは、昆虫を捕らえて後で食べるために包みます。ゴム状のフラゲリフォームシルクは、衝撃を吸収するために捕獲螺旋を強化します。ドラグラインシルクは、巣とクモを壁に固定します。各種類の絹は、種によって異なる特性を持ち、その分子の組み立て方に関連しています。そして、同じ種類の絹でも、種によってわずかに異なる特性を持つことがあります。

1907年、科学者たちはクモの糸が長いモジュラータンパク質、後にスパイ ドロインと名付けられたものでできていることを発見しました。これはコラーゲンやケラチンのような繊維タンパク質のグループに属します。半世紀以上後、X線は繊維の基盤構造を明らかにし始めました。絹は、結晶性の低い非晶質マトリックスに埋め込まれた、ベータシートとして知られる平坦なタンパク質シートでできています。

2000年代初頭、研究者たちは溶液中のスパイ ドロインを検査しましたが、ほとんどのタンパク質で見られるような組織化された固定構造は見られませんでした。代わりに、スパイ ドロインは本質的に無秩序な領域を特徴とし、それらは周りで flutter し、様々な形状を形成したり再形成したりしました。研究者たちは、この無秩序なタンパク質のスープがどのようにして強固な固体繊維に組織化されるのかを解き明かし始めました。

初期の理論では、ドープ中のタンパク質は、結晶のように互いに整列し始めると同時に、「液晶」として知られる遷移状態にとどまると示唆されていました。別の理論では、クモの糸はカイコの糸のように、タンパク質がミセル、つまり小さな球体に組織化され、それが絹繊維に圧縮されると考えられていました。

その後、2007年に、研究者たちは実験室で設計されたスパイ ドロインが液体のような塊を形成することに気づきました。すぐに、これらの種類の構造は現代生物学で避けられないものとなりました。2009年、マサチューセッツ州の海洋生物研究所とドイツのマックス・プランク研究所の研究者たちは、受精した虫の卵の中で凝集したRNA分子の液滴を発見しました。これらは凝縮物でした。つまり、溶液中に濃縮されたタンパク質の液体またはゲル状の泡です。1世紀以上にわたって観察されていましたが、凝縮物は生命全体にわたる分子プロセスを組織化するための重要なツールと見なされるようになりました。

研究者たちは、凝縮物が分子を濃縮し、固体のように固定することなく、柔軟な微小環境に事前に組織化することを認識しました。「流動性があるため、それらは可鍛性があります」とハリントン氏は述べ、「そのため、生物はそれを望むものに形作ることができます。」

さらなる研究により、生きた細胞がDNAを整理し、遺伝子発現を調節し、タンパク質をパッケージ化するために、あらゆる場所で凝縮物を使用していることが示されました。巨視的なスケールでは、それらは種が興味深い材料を構築するのを助けます。それらはイカのくちばしを硬い部分の勾配に成形するのを助けます。それらは、ムール貝が岩に付着することを可能にする強力な接着剤や、サンドキャッスルワームが保護管を構築するために使用する海洋セメントを形成します。

「生物学におけるホットな分野になっています」とホランド氏は言いました。

研究者たちは10年以上前に実験室で作られたスパイ ドロインで凝縮物様の塊が形成されることを記述していましたが、2020年に京都大学の生体材料化学者である沼田圭司氏が、クモの糸が液体ドープから固体糸への移行中に凝縮相を経由すると示唆するまで、それらは凝縮物とは見なされていませんでした。

凝縮物は「液液相分離」によって形成されます。これは、pH、化学物質、または温度の変化などの刺激の結果として、液体中の分子が互いに弱く相互作用し始め、容易に結合を形成したり破壊したりするプロセスです。沼田氏は、クモの絹腺の中間部分である膨張器内のリン酸塩がこれらの相互作用を開始する可能性があると提案しました。しかし、それらの形成を駆動する原子スケールのメカニズムは、ホランドの研究室の大学院生であったハンナ・ジョンソン氏が調べようと決めるまで、誰も説明していませんでした。

ブラック・ウィドウの内部

2023年と2024年の数ヶ月間、サンディエゴ州立大学の化学科にメスのクロゴケグモのパッケージが届きました。赤のアクセントを持つ漆黒のクモは、人間に痛みを伴う強力な毒を育てます。その些細な不便を除けば、それらはクモの糸の研究に適した対象です。それらのドラグラインシルクのスパイ ドロインタンパク質は、すべてのクモの中で最もよく特徴付けられているものの一つです。そして、季節によって巣を張るクモとは異なり、一年中入手可能です。

［画像: 体に赤い斑点のある黒いクモ。］

［画像: 背中を下にして横たわる意識のないクモから、2本の細い糸が伸びている。］

獲物を捕らえるために、クロゴケグモ（上）は、トリップワイヤーとして機能する粘着性のある糸の塊を張ります。実験用の糸を採取するために、科学者たちはクモの糸疣から糸をそっと巻き取りました（下）。

獲物を捕らえるために、クロゴケグモ（左）は、トリップワイヤーとして機能する粘着性のある糸の塊を張ります。実験用の糸を採取するために、科学者たちはクモの糸疣から糸をそっと巻き取りました（右）。

Phil Degginger/Alamy; Gregory Holland提供

2週間にわたり6回、ジョンソンは2組の保護手袋を着用しました。1時間かけて、彼女と数人の学生は、二酸化炭素で意識を失わせたクロゴケグモに「糸を紡がせ」ました。ピンセットで、科学者たちはクモの糸疣（繊維が出てくる腹部の突起）から糸をそっと引き抜き、回転モーター付きのバイアルに巻き付けてリールに巻き取りました。

「たくさんの糸をくれるクモが私たちのお気に入りです」とジョンソンは言いました。「でも、協力したくない反抗的なクモにも特別な思い入れがあります。」このプロセス全体を通して、研究者たちはクロゴケグモに、実験室で検出できる特定の同位体で強化されたアミノ酸のカクテル（「プロテインシェイク」のようなもの）を与えました。

核磁気共鳴（NMR）分光法は、分子の構造をマッピングできます。それは、原子内の核を乱すために無線周波数を送信し、それらは原子の種類に特徴的な方法で移動します。ジョンソンは、液体のクモのシルク・ドープと、クモの膨張器から採取した凝縮物の両方にNMRを使用しました。一方、ケビン・チャレック氏（当時ホランド研究室のポスドク研究員、現在はカリフォルニア大学ロサンゼルス校の研究員）は、固形繊維中のタンパク質の原子構造をマッピングしました。

「私たちは、タンパク質がクモの体内にいるときと、体外にいるときに何が起こっているのかのギャップを埋めようとしていました」とチャレック氏は言いました。「これらは同じタンパク質なのに、なぜこれほど違うのでしょうか？そして、その間に正確に何が起こっているのでしょうか？」

ジョンソンは、凝縮プロセスを開始するために液体シルク・ドープにリン酸塩を添加した後、スパイ ドロインタンパク質の本来無秩序な領域にある2つのアミノ酸（アルギニンとチロシン）の側鎖が互いに弱く相互作用し始めたことを観察しました。この相互作用は水を排出し、無秩序なタンパク質をより高密度なゲル状物質、すなわち凝縮物に組織化しました。この相互作用は固体繊維でも持続し、アミノ酸が、無秩序なタンパク質を凝縮物、そして最終的には繊維へと導く「分子ステッカー」として機能することを示唆しています。

［画像: クモの糸が複数の糸疣から、アイシングチップから絞り出されるアイシングのように extrude されている。］

トゲアシオリグモ (Gasteracantha cancriformis) の糸疣からクモの糸の断面図。

Dennis Kunkel Microscopy/Science Photo Library

チームの他のメンバーは、タンパク質構造をモデル化する人工知能ツールであるAlphaFoldhttps://www.quantamagazine.org/how-ai-revolutionized-protein-science-but-didnt-end-it-20240626/と分子動力学ソフトウェアを使用して、このプロセスを計算論的に予測しました。研究者たちは、クモの糸の強度が、最終的な繊維における頑丈なベータシートタンパク質構造に由来することを知っています。チームのシミュレーションは、これらのアミノ酸がベータシートの曲がり角に並んでいることを示しており、それらがスパイ ドロインを最終構造へと導くのを助けていることを示唆しています。

「これらの側鎖がどのように相互作用し、個々の部分の合計よりも大きな構造を発達させることができるかを理解することは素晴らしいことです」と、研究には関与していないシェフィールド大学の生物学者、クリス・ホランド氏（グレゴリー・ホランド氏とは無関係）は述べています。そして、「彼らは合成絹ではなく、本物のクモを使用した。それは素晴らしいことです。」

彼らの発見は、凝縮物が天然の絹から形成されることができるという「直接的な証拠」であり、「非常に重要」であると、研究には参加していないシンガポール国立大学の生物学者、ダイウェン・ヤン氏は述べています。

彼らの凝縮物の記述は、以前のクモの糸形成理論を否定するものではありません。以前に天然クモの糸中のミセルの存在を示したグレゴリー・ホランド氏は、ミセル、凝縮物、液晶のすべてが同じ相転移の段階である可能性があると示唆しました。液体ドープ中に形成されるミセルは、乱雑で無秩序なタンパク質が塊になったり絡まったりするのを防ぎます。タンパク質は凝縮物に事前に組み立てられたり、糸疣から高度に組織化された繊維として放出される前に液晶のような構造に整列したりすることもできます。しかし、実際のプロセスは、これらの構造のいくつかが同時に混合物中で形成されるため、逐次的なものよりも「より動的で不均一」である可能性が高いとグレゴリー・ホランド氏は述べています。

ハリントン氏も同意します。「これらは互いに排他的ではないと思います」と彼は言いました。「処理の異なる段階で、さまざまな種類の相転移が発生している可能性があります。」

それでも、これらの相互作用がこの工場ラインでどのように積み重なるかについては、まだ理解すべきことがあります。研究者たちがまだ詳細にマッピングできていない、他の重要なアミノ酸相互作用が存在する可能性が高いです。また、リン酸塩以外のプロセスを開始するトリガーを探したいと考えています。「これらのタンパク質で構造変化を引き起こす他のさまざまなものがある可能性があります」とクリス・ホランド氏は述べています。「私たちはまだすべてのスイッチを知りません。」

優れた素材

複雑な絹紡糸プロセスの全体像を記述するには多くの労力が必要ですが、その見返りは莫大なものになる可能性があります。クモは、4,000年以上も繭のために飼育されてきたカイコと比較して、利用可能な絹の量が少ないです。絹のシャツを作るには何千匹ものカイコが必要ですが、クモの場合は約100万匹が必要となります。これは、繭が容易に加工できないためでもありますが、より実用的な理由もあります。彼らの共食い的な性質は、各クモが独自の容器を必要とするため、飼育が困難です。

実験室でクモの糸を生産することは、新しい範囲の強靭かつ柔軟な材料につながる可能性があります。合成繊維であるケブラーは、現在最も丈夫な素材ですが、非常に高い温度と酸性条件下での加工が必要です。「ここに、クモやムール貝のような生物がいます」とハリントン氏は述べています。「それらは基本的に、常温で海水や普通の空気中で、より優れた材料を作っています。」

人間はまだそれらの生物に匹敵する方法を見つけられていません。科学者が実験室でクモの糸を合成する際に、アミノ酸の正確な配列を使用してスパイ ドロインタンパク質を構築しても、得られる糸は天然の糸ほど強くありません。「そこでは何か起こっていますが、私たちもそれを模倣するのに苦労しています」とチャレック氏は言います。彼は、ベータシート以外のもの、絹の構造の他の側面、あるいは合成絹溶液からしばしば除外されるスパイ ドロインタンパク質の断片から、追加の強度が提供されなければならないと考えています。

「これらの設計図を本当に理解すれば、絹でより多くのことができるようになると考えています」とクリス・ホランド氏は述べています。

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