Entwirren die Wunder der Spinnenseide

Behind the Scenes Artikel wurde LiveScience in Zusammenarbeit mit der National Science Foundation zur Verfügung gestellt.

Spinnen haben seit ihrer studierte an der Yale University, Cheryl Hayashi fasziniert, wo eines Tages ein Professor eine Gelegenheit bot ihr, die ihr Leben verändert. Hayashi hatte Hand-Professors Labor Kolonie tropische Spinnen Feed – eine Aufgabe, die solches Interesse an Arthropoden ausgelöst, die zu einer Karriere in der Biologie geführt.

Heute, gibt Hayashi, Professor für Biologie an der University of California, Riverside (UCR) und einem Empfänger John D. and Catherine T. MacArthur Foundation "Genie", der Yale Professor Gunst durch Betreuung der Studenten und Postdocs in ihrem eigenen Labor wo tun sie umfangreiche genetische Charakterisierung und mechanische Prüfung von Spinne Seide Fasern.

Bestehend aus einzelnen Proteinmoleküle, hat Spinnenseide lange Wissenschaftler fasziniert. Mit der Unterstützung von NSF und anderen Institutionen Hayashi Research-Team sammelt Spinne Seide Stränge und mühsam Kämme durch Seide Drüsen, befindet sich im Inneren der Spinnen Bäuche, die schwer fassbare genetischen Baupläne für Seide machen zu finden. Das Ziel der Arbeit ist es, besser zu verstehen, was der Seide seine erstaunlichen Eigenschaften verleiht.

"Verschiedene Proteine sind gemacht und gemischt in den Silk Drüsen von Spinnen, die Seide zu schaffen", sagt Hayashi. "Es ist eine Kombination aus den genauen Ablauf der einzelnen Proteine und die Art und Weise, die dieser Proteine interagieren und miteinander zu verknüpfen, gibt Seide seine bemerkenswerte Stärke." Leute haben versucht, seine Produktion im Labor zu imitieren – z. B. durch Quetschen diese Proteine durch eine schmale Spritze – aber was haben sie landeten mit war etwas dick und spröde, nicht das feine und flexible Material, Spinnenseide ist. "

Fast alle Spinnen machen mehrere Arten von Seide zu bewegen, fangen und Aufbewahrung von Lebensmitteln und zu reproduzieren. Die meisten Seiden sind weniger als ein Zehntel des Durchmessers eines menschlichen Haares, leichter als Baumwolle noch Unze für Unze bis zu fünfmal härter als Stahl. Infolgedessen werden sie geprüft, für eine Vielzahl von Produkten wie leichte, super-starke Rüstungen zu verbessern; Spezial-Seil; biologisch abbaubares chirurgisches Nahtmaterial; und Komponenten von Medizinprodukten.

"Wann immer Sie etwas stark und leicht, Spinnenseide ein guter Kandidat sein kann", sagt Hayashi. "Zum Beispiel, machen eine dünne Folie oder einem dünnen Stoff. Oder wie Gerüste Gewebe wieder zu wachsen. Seide ist für den Einsatz in kugelsichere Westen ernsthaft geprüft. Ich sehe die Straße, hinunter Seide in Textilien für leistungsfähige und langlebige Kleidung verwendet. Spinnenseide Vorteile sind seine Weichheit und Flexibilität, Eigenschaften müssen Sie für die Herstellung von Elementen wie High-Tech-Sportkleidung und ultra-harte Patches, um Körper Gelenke abdecken."

Wissenschaftler wie Hayashi kommen mit genialen Möglichkeiten zur Steigerung der Produktion von Spinnenseide. Mit Hilfe von Genetik Anlagenbauer bei UCR zog sie Seide Gene in Pflanzen wie Tabak und Tomaten. Diese Host-Pflanzen produzieren reichlich Seide, die sie in ihrem Labor für Analyse extrahieren kann.

"Wir haben Pflanzen als Gastgeber gewählt, weil sie viel niedrigere Wartung sind und einfacher zu pflegen in großer Zahl als Spinnen," Hayashi sagt. "Andere Hosts Seide produzieren könnten Bakterien, Hefe oder Nutztiere sein."

Spinnenseide ist seit mehr als 350 Millionen Jahren und hat sich im Laufe der Zeit radikal verändert. Durch die Kombination von genetischen Daten mit den Fossilien, verfolgen Hayashi und ihr Team sorgfältig die ineinander verschlungenen Geschichten von Spinnen und ihre Seiden.

Als Hayashi Arbeit auf Spinnenseide vor mehr als einem Jahrzehnt begann, erwartet sie eine System, die durch seine elegante Schlichtheit faszinierend war. In der Tat die erste Spinnenseide sie gekennzeichnet passen ordentlich in ihr denken — es war eine unkomplizierte Material, verständlich mit nur fünf bis sechs-Kern-Bausteine.

"Aber als ich Spinne Seide Daten gesammelt, es wurde immer deutlicher, dass ich ein kompliziertes System untersucht", sagt Hayashi.

Im Laufe der Jahre hat ihr Labor gezeigt, dass die bemerkenswerten Eigenschaften von Spinnenseide durch eine Kombination von der Spinne Spinnverfahren entstehen und die alten Proteinstrukturen genetisch über Millionen von Jahren der evolutionären Geschichte überliefert. Ihr Labor entdeckt auch die molekulare Struktur der Gene für eine Vielzahl von Seide, einschließlich des Proteins, die weiblichen Spinnen verwenden, um ihre seidenen Eikästen.

Ihre Forschungsgruppe ist gutgeschrieben worden, mit der Entdeckung Hinweise darauf, dass Spinnen Wagenrad geformte Netze so alt sind, dass Dinosaurier gesehen haben können. Darüber hinaus bestimmt ihr Labor die komplette Gensequenzen für zwei wichtige Proteine in der "Abseilfaden-Seide" die schwarze Witwe Spinne. In jüngerer Zeit, Hayashi erweitert ihr Studium Seiden aus anderen Arthropoden (z. B. Raupen) und nicht-faserigen Seidenproteine wie Leime gehören.

Ihre Forschung hält den Ausbau um weitere Arten von Seide und weitere Arten von Spinnen zu studieren. Ihr Labor arbeitet auch an der Charakterisierung Seidenproteine, die Vogelspinnen in den Füßen zu produzieren.

Abgesehen davon, dass Entdeckungen, hält die Wissenschaftskommunikation Hayashi gehen. Sie genießt im Gespräch mit der Öffentlichkeit über ihre Forschung und betont die Bedeutung der Naturbeobachtung im Detail, Jugendliche, Senioren und Gruppen.

"Es ist nur durch genau zu studieren, wie Spinnen ihre Seide machen, die Sie zu schätzen wissen wie kompliziert und außergewöhnliche der Prozess ist," sagt sie. "Sie können nicht helfen, aber frage mich, wie der flüssigen Schleim von Proteinen ist entwässert in die Spinne und dann als trocken, flexible Faser heraus fließen. Tausende und Abertausende von einzelnen Molekülen binden zusammen in einer Weise, die eine kontinuierliche Faser produziert, und am bemerkenswertesten, all das geschieht fast augenblicklich."

Diese Faszination für die komplizierten Abläufe der Natur zeichnete Hayashi Wissenschaft und machte sie einen nationalen Experten auf die genetische Struktur der Spinnenseide.

"Ich bin etwas Neues von Spinnen immer lernen", gesteht sie. "Was ich über sie heute entdecken führt zu weiteren Fragen morgen." In diesem jungen Bereich, wo so viel unbekannt ist, führt ein neues Stück von Informationen Sie unerwartet auf ein völlig neues Gebiet der Forschung der Spinne. Die Spinnen haben eine Weise des Haltens meiner Forschung gehen."

Um Videos und andere Informationen über diese Forschung zu sehen, besuchen Sie:.

• Video – Spiderman klebrige Tech
• Galerie – gruselige Spinnen
• Erstaunlichen tierischen Fähigkeiten

Anmerkung der Redaktion: Dieser Forschung wurde unterstützt durch die nationalen
Science Foundation (NSF), der Bundesagentur für grundlegende Finanzierung angeklagt
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