クモは、現代の製造能力をはるかに超える強靭かつ伸縮性のある糸をナノ粒子から紡ぎ出すことで、ナノマテリアルの時代を私たちより約3億年も先取りしていたようです。しかし今、私たちは自らの高度な技術を駆使し、クモの秘密を解明しようと、追いつこうとしています。
クモの糸は、液体とゲルの中間のようなドロドロとした混合物から始まり、クモ類は圧力、酸性、そして追加の化学物質という複雑な組み合わせによって、それを超強力な糸へと絞り出します。研究者たちは、この液体に何が含まれているのか、そして完成品がどのような外観をしているのかを解明していますが、クモがどのようにして室温で、しかも特別な機械を使わずに、自然界で最も強力な素材の一つを作り出すのかについては、まだ解明されていません。
生化学者と材料科学者からなる雑多なチームが、過冷却電子顕微鏡を用いて、クロゴケグモの絹糸腺をこれまで以上に深く掘り下げた。月曜日に米国科学アカデミー紀要（PNAS）に掲載されたこの研究は、クモのタンパク質がナノスケールのボール状に集合していることを確認し、その内部にある薄片状の構造を初めて明らかにした。研究者たちは、この研究成果が、現在ナイロンを大量生産しているのと同じ方法でクモの糸を大量生産しようとする人々の役に立つことを期待している。「このような材料の実用的用途は実質的に無限です」と、ノースウェスタン大学のナノ材料化学者でチームリーダーの一人であるネイサン・ジャンネスキ氏はプレスリリースで述べた。
絹織物職人を目指す人々にとって一つの問題は、クモの絹糸腺内で「スピドロイン」と呼ばれるタンパク質が分子から糸へと変化する過程を、正確には誰も知らないことだ。研究者たちは10年以上前から、糸は水に引き寄せられる部分と水をはじく部分を持つ「ミセル」と呼ばれる球体に丸まると推測してきた。しかし、この理論を裏付ける直接的な証拠はほとんどなく、ミセルが具体的にどのような形状になるのかは誰も知らなかった。
スピドロインが実際に連結していることを初めて具体的に証明したのは、サンディエゴ州立大学の生化学者グレゴリー・ホランドでした。様々な状況下でのスピドロインの液体中における動きに基づき、彼は粒子の直径が1メートルの数千億分の1メートルであると結論付けました。これは単独のタンパク質としては大きすぎます。ホランドはこの結果に期待が持てましたが、ある学会でジャンネスキに偶然会って初めて、この研究がさらに発展する可能性に気づきました。「ネイサンが話し始めたので、『ああ、もしこれがどんな形なのか画像化できればいいのに』と言いました」とホランドは回想します。
ジャンネスキ氏はクライオ透過型電子顕微鏡を専門としている。これは、極低温の薄い試料に電子を照射することで、光学顕微鏡では捉えられないほど小さな物体の像を作製する装置だ。研究者たちは、以前にもクモの体液でこの手法を試したことがあったが、繊細なタンパク質構造を損なわずに試料を調製する方法を誰も見つけられなかったことを知った。「息を吹きかけると変化が始まります」とホランド氏は言う。「針を刺せば、すぐに繊維を引き抜くことができます」
通常のピペット操作では、スパイドロインは糸状に縮んでしまうため、研究チームはクロゴケグモを丹念に解剖し、様々な特注の道具を用いて、ゆっくりと丁寧に糸の液体を滴下した。最終的に、彼らの知る限り、分子の自然な構造を保ったサンプルを確保することに成功した。
研究チームはその後、サンプルの層ごとの画像を再構成し、シルクタンパク質の束が実際にはどのような形をしているのかを初めて明らかにしました。単純な球体とは程遠く、ミセルは数百もの小さな束で満たされていることを発見しました。ジャンネスキ氏はこれを「フレーク」または「ディスク」と表現し、それぞれがスパイドロイン繊維の絡み合いを形成しています。適切な圧力をかけると、これらのフレークが繊維へと伸び、最終的にシルク糸となるのではないかと研究者たちは考えています。この新しいモデルによって、合成スパイダーシルクを作ろうとする人々が、レシピのトラブルシューティングを行い、スパイドロインが意図した通りに絡み合っているかを確認できるようになることを期待しています。
スウェーデン、ウプサラにあるスウェーデン農業科学大学のアンナ・ライジング氏とヤン・ヨハンソン氏は、そうした研究者の2人であり、昨年初めにこれまでで最も強力な合成シルクを報告した国際チームを率いています。彼らは、この新たな研究がシルクタンパク質の基礎理論を拡張したことを高く評価しましたが、多くの詳細がまだ不明であると指摘しました。「理想的には、スピドロインがどのように配列しているかを原子レベルの解像度で図示したいと思っています」と、彼らはメールで述べています。これまでの研究ではタンパク質の末端は研究されていますが、中間鎖は未解明のままです。
ジャンネスキ氏とホランド氏も、クライオ電子顕微鏡法が絹糸とタンパク質の地図上の空白を埋める上で貴重なツールとなるだろうと述べており、この成果にジャンネスキ氏とホランド氏も興奮している。クロゴケグモの絹糸はクモ綱の中でも最も強力な部類に入るため、彼らは他の種についても調査し、様々なタイプの絹糸が様々な形状のタンパク質束と一致するかどうかを調べる予定だ。
「もう見方はわかったでしょう」とジャンネスキは言う。「さあ、見に行きましょう」
