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Nov 11, 2023

Um atlas molecular revela o tri

Volume de comunicações da natureza

Nature Communications volume 14, Número do artigo: 837 (2023) Citar este artigo

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O processo de produção de seda natural na glândula ampola maior (Ma) da aranha confere à seda da dragline propriedades mecânicas extraordinárias e potencial para aplicações biomiméticas. No entanto, os papéis genéticos precisos da glândula Ma durante esse processo permanecem desconhecidos. Aqui, realizamos um atlas molecular sistemático da produção de seda de dragline por meio de uma montagem de genoma de alta qualidade para a aranha de tecelagem de orbe dourada Trichonephila clavata e uma abordagem multiômica para definir a arquitetura trissecional da glândula Ma: Cauda, ​​Saco e Duto. Descobrimos uma biossíntese hierárquica de espidroínas, ácidos orgânicos, lipídios e quitina na glândula Ma seccionada dedicada à constituição da seda fina. A secreção ordenada de espidroínas foi alcançada pela regulação sinérgica de assinaturas epigenéticas e de ceRNA para genes de espidroína distribuídos por grupos genômicos. O perfil de RNA unicelular e espacial identificou dez tipos de células com divisão funcional particionada, determinando a organização trissecional da glândula Ma. A análise de convergência e a manipulação genética validaram ainda mais que essa arquitetura trissecional da glândula de seda era análoga em Arthropoda e inextricavelmente ligada à formação da seda. Coletivamente, nosso estudo fornece dados multidimensionais que expandem significativamente o conhecimento da geração de seda de dragline de aranha e, finalmente, beneficiam a inovação em fibras inspiradas em aranhas.

Aranhas (Ordem Araneae) são abundantes predadores artrópodes generalistas, incluindo mais de cinquenta mil espécies existentes1,2. Todas as aranhas produzem sedas, que são fibras proteicas naturais de alto desempenho, cruciais para a sobrevivência e reprodução das aranhas3,4. A produção de seda é uma fascinante característica saliente da aranha de particular interesse econômico, principalmente devido às propriedades excepcionais dessas fibras, incluindo alta resistência à tração e tenacidade, baixa densidade, atuação rotacional autoalimentada e biocompatibilidade5,6,7. Numerosos pesquisadores tentaram emular processos naturais de produção e fiação de espidroína (as principais proteínas da seda de aranha) para a geração biomimética de materiais artificiais com propriedades semelhantes à seda de aranha8,9,10,11; no entanto, muito de nossa compreensão atual da formação de seda de aranha é baseada em estudos físicos e materiais que forneceram apenas uma imagem parcial de sua natureza12,13. Assim, a elucidação dos mecanismos biológicos moleculares envolvidos no sistema de produção da seda natural será valiosa para o entendimento aprofundado da seda da aranha14,15,16,17.

Embora as aranhas orbitais tenham múltiplas glândulas produtoras de seda, a glândula ampola maior (Ma) é frequentemente usada como um sistema modelo na pesquisa de produção de seda devido ao seu tamanho relativamente grande e, especialmente, às propriedades impressionantes de seu produto, a seda dragline18. Consequentemente, a maioria das tentativas de inovar as fibras inspiradas na seda da dragline envolveu geralmente as proteínas da seda e o microambiente produzido pela glândula Ma11,12,19. A glândula Ma pode ser dividida em três segmentos macroscópicos, a Cauda, ​​o Saco e o Duto, que são caracterizados por gradientes de valores de pH, concentrações de íons e forças de cisalhamento20,21,22. A proteína líquida da seda é sintetizada e armazenada em uma concentração muito alta na Cauda e Saco e transformada em fibra insolúvel através do Duto23,24.

Nesse contexto, as espidroínas ampuladas principais recombinantes (MaSps) foram construídas para obter propriedades físicas específicas da seda, incluindo resistência, extensibilidade e viscosidade25,26,27. Elementos constituintes de seda de aranha (SpiCEs), que são proteínas não epidroínas, têm sido utilizados para aumentar a resistência à tração no caso de filmes compostos de seda28,29. Além disso, um dispositivo microfluídico projetado para simular condições naturais iônicas e de pH permitiu que as fibras fossem puxadas diretamente da saída e depois enroladas no ar, como na fiação natural30,31,32. Está se tornando evidente que os mecanismos detalhados subjacentes à produção de seda de dragline, incluindo a arquitetura celular e a função molecular da glândula Ma, bem como a biocomposição e a formação da seda de dragline, são fundamentais para a inovação avançada de fibras11,33.