¿Cómo se ensambla la tela de las arañas?

La tela de las arañas es una de las estructuras más asombrosas del mundo natural debido a su gran elasticidad y resistencia a pesar de su poco grosor (más fino que un cabello humano). Poder sintetizarla de manera artificial sería uno de los más grandes logros en la ciencia de los materiales y tendría innumerables aplicaciones en muchas ramas de la ciencia y sobre todo la tecnología.

Las proteínas que conforman la tela de la araña tienen composiciones químicas y estructurales diferentes dependiendo de la especie y del uso que le den. A grandes rasgos podemos decir que están compuestos por un grupo de proteínas llamadas fibroínas, ricas en repeticiones de alanina y/o glicina, que se autoensamblan formando estructuras secundarias llamadas plegamientos beta. 

El misterio radica en cómo se da este autoensamblaje ya que, dentro de las glándulas de seda, todas estas proteínas se encuentran mezcladas en forma líquida; pero al salir, automáticamente se ensamblan formando una tela sólida.

Las espidroínas son las proteínas responsables de dar la elasticidad y resistencia a la seda de las arañas. Askarieh et al. estudiaron cómo se daba el mecanismo de autoensamblaje de esta proteína mientras que Hagn et al. estudiaron cómo las proteína podían ser almacenadas en formas solubles a altas concentraciones.

Hagn encontró dos dominios altamente conservados en estas proteínas: un dominio C-terminal no repetitivo (NR) y un dominio N-terminal NR. Estos dos dominios controlan la solubilidad de las proteínas y previenen que se den agregamientos o ensamblajes no deseados. Los dominios C-terminal NR eran bastante hidrofóbicos comparados con las otras regiones de las fibroínas, a bajos pH (~2.0) la hidrofobicidad aumentaba y la formación de estructuras secundarias —plegamientos beta— disminuye. Entonces, un correcto plegamiento de los dominios C-terminal NR son responsables de un correcto almacenamiento y la inhibición de agregaciones no deseadas. La transición de la forma soluble de las proteínas a la forma de fibras sólidas se da debido a ciertos estímulos químicos y mecánicos.

En ausencia de fuerzas de cizallamiento, la agregación y ensamblaje de las proteínas está determinada por la concentración de sales en el medio. A altas concentraciones de NaCl (~500mM) la agregación es baja (~15%); sin embargo a esa misma concentración pero de KH₂PO₄ la agregación es total (~100%). Con esto se explica por que las proteínas se almacenan dentro del lúmen, donde hay una concentración de NaCl de ~150mM y necesitan salir al ducto para ensamblarse donde, a través de un mecanismo de intercambio iónico, se cambia la concentración de sales de NaCl por KH₂PO₄.

Los dominios C-terminal NR son importantes para el ensamblaje porque en ausencia de ellos, las proteínas no exhiben un cambio significativo en su viscosidad y agregamiento al ser sometidas a diferentes fuerzas de cizallamiento, mientras que cuando están presentes, sufren plegamientos que cambian la solubilidad de las proteínas al volverse más hidrofóbicas. Las proteínas se empiezan a agregar permitiendo que se formen los plegamientos betas.

Para completar este estudio, Askarieh se enfocó sobre el dominio N-terminal NR de las espidroínas. Askarieh se dio cuenta que el pH tenía un efecto importante sobre el ensamblaje de las proteínas para formar las fibras sólidas. Primero observó que las espidroínas se autoensamblaban a pH entre 6.9 y 6.3, tanto en presencia o ausencia del dominio C-terminal NR, así que descartó que este dominio tenga algún efecto sobre el ensamblaje de las fibras sólidas; sin embargo, el dominio N-terminal NR si era afectado por los cambios de pH.

En presencia del dominio N-terminal NR, las espidroínas se autoensamblaban en 2 horas a un pH de 7.0; pero en ausencia del dominio N-terminal NR, el ensamblaje se daba en menos de 30 minutos. El efecto era más pronunciados a pH de 3.0 y 8.0, donde las proteínas se demoraban días en ensamblarse cuando tenían el dominio N-terminal NR. Pero, lo que llamó enormemente la atención fue que, a pH entre 6.0 y 7.0, el ensamblaje se dio rápidamente en menos de 5 minutos en presencia del dominio N-terminal NR.

Entonces, para resumir todo esto podemos decir que las proteínas que conforman las telas de las arañas tienen dos dominios altamente conservados y no repetitivos en los extremos C-terminal y N-terminal. El dominio C-terminal es importante para el almacenamiento de las proteínas de la tela de las arañas dentro del lumen, a altas concentraciones pero sin correr el riesgo que se agreguen y formen ensamblajes no deseados.

El lumen es rico en iones NaCl que favorecen el estado soluble de las proteínas. El dominio N-terminal es responsable del autoensamblaje de estas proteínas para formar una fibra sólida. Cuando la solución de proteínas llega al ducto, el pH baja hasta 6.3 —debido a la presencia del KH₂PO₄— y se empiezan a formar las estructuras secundarias (plegamientos beta) características de las fibras de seda. Además, el KH₂PO₄ ayuda a la formación de las fibras sólidas cuando interactúan con el dominio C-terminal.

Referencias:

Hagn, F., Eisoldt, L., Hardy, J., Vendrely, C., Coles, M., Scheibel, T., & Kessler, H. (2010). A conserved spider silk domain acts as a molecular switch that controls fibre assembly Nature, 465 (7295), 239-242 DOI: 10.1038/nature08936

Askarieh, G., Hedhammar, M., Nordling, K., Saenz, A., Casals, C., Rising, A., Johansson, J., & Knight, S. (2010). Self-assembly of spider silk proteins is controlled by a pH-sensitive relay Nature, 465 (7295), 236-238 DOI: 10.1038/nature08962