Чему можно научиться у мидий
Dec. 21st, 2021 11:50 am![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
idelsonМой предыдущий пост про морской шелк был случайным отклонением в сторону: просто я наткнулся на слово биссус - виссон - и не мог удержаться от разбирательства. Заодно узнал про веерных мидий и не пожалел.
Но исходно меня заинтересовали не веерные, а самые обычные мидии - Mytilus edulis, извините за выражение, съедобная мидия. Как известно, мидии живут колониями, прочно прикрепленными к скалам. Они выпускают из себя пучек нитей, которые тоже называются словом биссус, хотя по структуре они сильно отличаются от биссуса веерных мидий.
Сам волос состоит из материала, сходного одновременно с шелком и с коллагеном, но на конце каждого волоса находится так называемая адгезивная бляшка. Она обладает удивительной способностью адсорбироваться практически на любую поверхность - от стекла, металла и камня до парафина и тефлона, причем умеет это делать в воде, и даже в соленой воде. Конечно, к парафину и тефлону бляшка цепляется раза в 3 слабее, чем к стеклу или шиферу, но это можно в случае необходимости компенсировать количеством бляшек.
Бляшки содержат несколько необычных белков. Самые интересные из них - белки MEFP3 и MEFP5, особенно интересен последний. Если посмотреть на его аминокислотную последовательность, видно, что он очень богат двумя аминокислотами: лизином и тирозином, в однобуквенных кодах, соответственно, K и Y. Многочисленные тирозины проходят не совсем обычную посттрансляционную модификацию: с помощью специального фермента тирозиназы они превращаются в DOPA - диоксифенилаланин.
Не то чтобы эта реакция была совсем необычной. У нас тоже есть тирозиназа, но она находится в очень специфичных клетках - меланоцитах, и там внутри специальных органелл - меланосом, и работает со свободным тирозином. Его реакция - это первая стадия в синтезе меланина. Дефект в гене тирозиназы приводит к альбинизму.
В отличие от этого, у мидий тирозиназа работает с цельным белком, так что MEFP3 и MEFP5 содержат 20-30% DOPA.
Пока белок находится в железе, он не встречается с кислородом. Но оказавшись в воде, он окисляется растворенным в воде кислородом, при этом DOPA превращается в хинон, а тот вступает в множества разных реакций с соседними гистидинами, лизинами, другими молекулами DOPA, а также разными компонентами поверхности.
До 2008 г. пытались экспрессировать белки бляшки в бактериях - а это совсем не просто, учитывая, что надо одновременно экспрессировать и ферменты для модификаций. А после 2008 г. обнаружили, что если взять совсем простую молекулу - допамин, то она, находясь в воде, будет окисляться растворенным кислородом и полимеризоваться. При этом она покроет практически любую поверхность. У полидопамина сохраняется еще достаточно валентностей, чтобы ковалентно связывать другие белки, или координационно - металлы.
Пленка нитроцеллюлозы, монета и игральная кость, покрытые слоем полидопамина, а затем слоем металлической меди [4].
Эти реакции очень похожи на те, которые происходят под действием ультрафиолета при образовании меланина. Поверхности как бы загорают, на них появляется коричневый слой, причем его свойства ни по смачиваемости, ни по способности адсорбировать вещества не похожи на свойства исходной поверхности.
Но исходно меня заинтересовали не веерные, а самые обычные мидии - Mytilus edulis, извините за выражение, съедобная мидия. Как известно, мидии живут колониями, прочно прикрепленными к скалам. Они выпускают из себя пучек нитей, которые тоже называются словом биссус, хотя по структуре они сильно отличаются от биссуса веерных мидий.
Сам волос состоит из материала, сходного одновременно с шелком и с коллагеном, но на конце каждого волоса находится так называемая адгезивная бляшка. Она обладает удивительной способностью адсорбироваться практически на любую поверхность - от стекла, металла и камня до парафина и тефлона, причем умеет это делать в воде, и даже в соленой воде. Конечно, к парафину и тефлону бляшка цепляется раза в 3 слабее, чем к стеклу или шиферу, но это можно в случае необходимости компенсировать количеством бляшек.
Бляшки содержат несколько необычных белков. Самые интересные из них - белки MEFP3 и MEFP5, особенно интересен последний. Если посмотреть на его аминокислотную последовательность, видно, что он очень богат двумя аминокислотами: лизином и тирозином, в однобуквенных кодах, соответственно, K и Y. Многочисленные тирозины проходят не совсем обычную посттрансляционную модификацию: с помощью специального фермента тирозиназы они превращаются в DOPA - диоксифенилаланин.
Не то чтобы эта реакция была совсем необычной. У нас тоже есть тирозиназа, но она находится в очень специфичных клетках - меланоцитах, и там внутри специальных органелл - меланосом, и работает со свободным тирозином. Его реакция - это первая стадия в синтезе меланина. Дефект в гене тирозиназы приводит к альбинизму.
В отличие от этого, у мидий тирозиназа работает с цельным белком, так что MEFP3 и MEFP5 содержат 20-30% DOPA.
Пока белок находится в железе, он не встречается с кислородом. Но оказавшись в воде, он окисляется растворенным в воде кислородом, при этом DOPA превращается в хинон, а тот вступает в множества разных реакций с соседними гистидинами, лизинами, другими молекулами DOPA, а также разными компонентами поверхности.
До 2008 г. пытались экспрессировать белки бляшки в бактериях - а это совсем не просто, учитывая, что надо одновременно экспрессировать и ферменты для модификаций. А после 2008 г. обнаружили, что если взять совсем простую молекулу - допамин, то она, находясь в воде, будет окисляться растворенным кислородом и полимеризоваться. При этом она покроет практически любую поверхность. У полидопамина сохраняется еще достаточно валентностей, чтобы ковалентно связывать другие белки, или координационно - металлы.
Пленка нитроцеллюлозы, монета и игральная кость, покрытые слоем полидопамина, а затем слоем металлической меди [4].
Эти реакции очень похожи на те, которые происходят под действием ультрафиолета при образовании меланина. Поверхности как бы загорают, на них появляется коричневый слой, причем его свойства ни по смачиваемости, ни по способности адсорбировать вещества не похожи на свойства исходной поверхности.
- Waite JH. Adhesion a la moule. (2002) Integr Comp Biol. 42:1172-80. doi: 10.1093/icb/42.6.1172. PMID: 21680402.
- Hauser, D., et al. (2020). From Bioinspired Glue to Medicine: Polydopamine as a Biomedical Material. Materials (Basel, Switzerland), 13: 1730. https://doi.org/10.3390/ma13071730
- Lee, HA et al. (2019) Material-Independent Surface Chemistry beyond Polydopamine Coating. Acc. Chem. Res. 52:704–713 https://doi.org/10.1021/acs.accounts.8b00583
- Cui, M et al. (2017) Natural and bio-inspired underwater adhesives: Current progress and new perspectives APL Materials 5:116102 https://doi.org/10.1063/1.4985756
