Клещи образуют вокруг своего ротового аппарата устойчивую структуру, которая позволяет им держаться на хозяине в течение нескольких дней. Этому способствуют фазовые переходы белков в слюне клеща.
Клещ сидит в ожидании следующей жертвы и вот он прикрепляется, вгрызается в кожу и начинает питаться. Липкая, богатая белком слюна клеща превращается в твердый цементный конус, который удерживает его на коже в течение нескольких дней. Эта застывающая клейкая жидкость и есть биоадгезив клеща. Многие другие животные - мидии, песчаные черви и пауки - производят биоадгезивы, но Сиддхарт Дешпанде, биофизик из Вагенингенского университета (Нидерланды), застрял на идее изучения клещевого клея. «Клещевой клей невероятно уникален в том смысле, что он находится в прямом контакте с кожей человека. Все остальные биоадгезивы в основном прилипают к камням или твердым субстратам, а не к живым существам», - пояснил Дешпанде.
Однако о механизмах адгезии слюны клещей было известно не так много. Теперь, в новом исследовании, Дешпанде и его сотрудники описали, как фазовые переходы белка слюны клеща способствуют образованию цементного конуса. «Это первое сообщение о физической химии слюны клещей, лежащей в основе ее адгезии», - отмечает Дешпанде. Эти результаты, опубликованные в журнале Nature Chemistry, могут помочь в разработке новых стратегий борьбы с клещами и синтезе улучшенных тканевых герметиков для заживления ран. «Очень интересно и полезно увидеть, насколько последовательно этот материал совпадает с поведением других биоадгезивов», - считает Дэвид Бреслауэр, материаловед и директор по технологиям компании Bolt Threads, производящей биоинженерный паучий шелк, который не принимал участия в исследовании.
Слюна клещей изобилует богатыми глицином белками (GRP). Как только клещ начинает питаться кровью, экспрессия GRPs в слюне увеличивается, обеспечивая прочность и нерастворимость цементного конуса. Богатые глицином участки могут препятствовать сворачиванию белка, что делает их обычными для внутренне неупорядоченных белков, которые не имеют стабильной трехмерной структуры. Такие белки могут перемещаться между различными конформациями и устанавливать многочисленные взаимодействия с соседними молекулами, способствуя концентрации биомолекул в микроскопические капли. Проявление таких жидких конденсатов в растворе биомолекул называется жидкостно-жидкостным фазовым разделением (LLPS) - подобно тому, как масло отделяется от воды в растворе.
Дешпанде давно интересовался фазовым разделением. Когда он наткнулся на GRPs в слюне клеща, то сразу же подумал, что раствор этих белков может разделяться на фазы. Чтобы подтвердить свою теорию, он изучил фрагмент GRP длиной 77 аминокислот (GRP77), из которых 26% приходится на глицин, в клеще Ixodes scapularis. AlphaFold предсказал, что GRP77 сильно неупорядочен, что делает его идеальным кандидатом для LLPS. Дешпанде и его коллеги использовали простой анализ, чтобы подтвердить это.
Фазовое разделение - это процесс, зависящий от концентрации. Распространенным экспериментальным методом наблюдения этого явления является анализ испарения капель, который основан на эффекте кофейного кольца - когда капля кофе падает на стол, она испаряется, оставляя концентрированное темное кольцо кофейного осадка. Поскольку компоненты, содержащиеся в слюне клещей, также подвергаются концентрации за счет потери воды, исследователи проверили, будет ли крошечная капля искусственно синтезированного флуоресцентного раствора GRP77 разделяться на фазы при испарении. Примерно через 15 минут после того, как ученые поместили каплю на стеклянную поверхность, они заметили интенсивную флуоресценцию на границе капли и появление ободка. Вскоре после этого они увидели появление многочисленных капель микронного размера, богатых GRP77, плавающих в разбавленном буфере - явный признак LLPS. Дешпанде был в восторге, увидев их. «Нечасто бывает так, что то, о чем вы думали, получается с первой попытки», - рассказывает он.
Далее Дешпанде и его коллеги имитировали некоторые другие особенности слюны клещей, вызывающие LLPS, в частности, присутствие солей. При добавлении фосфатных солей в каплю белка они наблюдали немедленное образование фазово-разделенных конденсатов GRP77. «Я был уверен, что белок подвергнется фазовому разделению, но нас ждали большие сюрпризы», - поделился Дешпанде. Испарив каплю с высокой концентрацией GRP77, он увидел под микроскопом гелеобразные сети или, в некоторых случаях, растянутые ленты, которые казались промежуточными стадиями между жидкой слюной и твердым цементным конусом.
Чтобы проверить, удастся ли им создать более прочную структуру, исследователи дали каплям белка и солевого раствора высохнуть в течение нескольких часов. Когда они увидели появление стабильных кластеров, Дешпанде задался вопросом: «Хорошо, мы получили конденсаты, но липкие ли они?». Оказалось, что кластеры были очень липкими - для их отделения от поверхности требовалась сила на четыре порядка выше, чем для конденсатов GRP77 без солей.
И наконец, авторам было интересно узнать, проявляет ли фазовое разделение натуральная слюна клещей. После многократных походов в местный лес, волоча тряпку по траве, они собрали достаточно клещей, чтобы получить необходимое для эксперимента количество слюны. Анализ испарения капель выявил большое количество сферических конденсатов, которые при добавлении соли превращались в волокнистые структуры.
Эти результаты - первый шаг на пути к различным потенциальным разработкам, таким как вакцины против укусов клещей и медицинские клеи. «Есть большой смысл обратиться к природным решениям, а не пытаться изобрести биоклеи», - считает Романа Сантос, морской биолог из Лиссабонского университета, изучающая адгезию морских ежей и не принимавшая участия в исследовании. «Биоадгезивы так долго работали для животных, почему бы им не работать для нас?» Сантос также интересуется, как клещ отделяется от цементного конуса и кожи. «Барнаклы и мидии также производят цемент, но они живут прикрепленными к цементу всю свою жизнь, а клещ может отделиться», - отмечает она.
Теперь Дешпанде намерен изучить поведение других GRP в слюне клеща и то, как они могут работать вместе, чтобы сформировать цементный конус. «Это действительно открыло для меня совершенно новую область исследований», - говорит он. «Я не был ни исследователем клещей, ни исследователем биоадгезии, но теперь вдруг стал и тем и другим».
