Jakten på spindlarnas hemlighet

Koppla ihop nerver, ersätta senor och odla stamceller. Med spindeltrådsprotein i olika former verkar det gå att lösa en rad medicinska problem. På Karolinska institutet och SLU jobbar forskare med att ta reda på hur spindeltråden bildas för att kunna kopiera den.

Lika starkt som kevlar

Det ser skört ut men är i själva verket lika starkt som kevlar, räknat per tvärsnittsareaenhet. Men det är samtidigt mer töjbart, lättare och även bionedbrytbart.

– Dessutom är proteinerna makalöst stabila, man kan värma upp dem till 260 grader utan att de blir förstörda, säger Anna Rising, forskare vid Karolinska institutet och Sveriges Lantbruksuniversitet (SLU).

Tillsammans med Jan Johansson leder hon en forskargrupp som försöker utnyttja dessa egenskaper medicinskt. Att spindeltråd kan vara användbart för oss människor på olika sätt är ingen ny tanke, berättar hon.

Romarna använde hela nät för att lägga på hästars sår för sårläkning. Så kommer vi att kunna köpa plåster på apoteket gjort av spindeltråd?

– Ja det är en av de saker vi gärna skulle vilja titta på. Men efter att ha pratat med Anna Rising en stund, blir frågan snarare om det finns någonting spindeltråd inte kan användas till. Hon och hennes kollegor har mer avancerade planer än plåster: Skapa implantat, odla celler och leverera läkemedel. Spindeltrådsfibrer verkar också kunna guida nervändar att hitta varandra efter en nervskada, åtminstone i djurförsök.

– Det verkar vara ett fantastiskt material men problemet är produktionen. Det vi gör är att vi tar fram konstgjord spindeltråd, säger Anna Rising.

Bakterier tillverkar

Det började med att hon åkte till Sydafrika för att få tag på spindeln Euprosthenops australis, som spinner en mycket stark tråd. Sedan tog ytterligare en lång resa vid – den att kartlägga spindeltrådsgenerna för att ta reda på spindlarnas hemlighet. Det arbetet resulterade i att en del av arvsmassan från spindlarna fördes in i bakterier som nu får tillverka proteinet.

– Hela proteinet är för stort för att bakterierna ska kunna uttrycka det effektivt. Vi provade med kortare snuttar och på något sätt "vet" proteinet att det ska bilda fibrer ändå. Vi var väldigt fascinerade när vi upptäckte att det fungerade!

Det visade sig räcka med den ena änden av proteinet, den C-terminala domänen, och fyra repetitiva sekvensblock av mittendelen, som i det naturliga proteinet upprepas upp till hundra gånger enligt ett visst mönster (Se bild). Den lösning som fås från bakterierna vaggas och fram träder fibrerna av spindeltrådsprotein. Men de blir fransiga och inte lika starka som den riktiga tråden. De blir inte heller likadana varje gång, vilket är ett problem om man vill tillverka medicinska implantat.

– Om man drar i fibern är det som att den smälter ihop, den blir mer homogen och skimrande och ser ut lite som en sena. Jag tror att det behövs att vi hittar ett sätt att dra ut fibrerna. Det är just det spindeln gör själv, berättar Anna Rising.

Tillsammans med forskare på SLU och Karolinska Institutet har Anna Rising kommit ytterligare ett steg närmare hur spindeltråd tillverkas i naturen: Först finns den i en lösning, sedan på vägen ut ur spindelns körtlar sjunker pH-värdet, det vill säga miljön blir surare, och proteinerna bildar då fibrer. Och det går blixtsnabbt. För att kunna spinna tråd kanske det krävs vissa delar av de naturliga spindeltrådsproteinerna som bakterierna nu inte producerar, spekulerar Anna Rising och hennes kollegor.

– Nu har vi även börjat att även inkludera den N-terminala domänen, som har en roll i att proteinerna kopplar ihop sig till långa kedjor när det lämnar spindelns körtel. Vi försöker spinna tråden på konstgjord väg.

Hjälp i stamcellsforskning

Men trots att man inte lyckats knäcka nöten att tillverka en konstgjord spindeltråd som kan mäta sig med originalet, går det att an- vända spindeltrådsproteinet i andra former.

– Vi gör filmer eller så gör vi skum. Om man vispar proteinlösningen så blir det ett skum, när det torkar ser det ut som tvättsvamp ungefär. Sedan odlar vi celler på det, säger Anna Rising. Målet är att hitta ett sätt att styra mänskliga pluripotenta stamceller, alltså celler som kan utvecklas till vilken celltyp som helst, för att med hjälp av dem kunna bota sjukdomar i framtiden. Förhoppningsvis på ett mer effektivt och billigt sätt än idag.

– Vi tror att vi både kan expandera cel- lerna, få dem att växa, och hjälpa dem att bli de celltyper och vävnader som man vill ha.

Blanda med läkemedel

Det senaste Anna och Jans grupp har testat är att använda spindeltrådsproteinet i läkemedelsforskning. Här återkommer den N-terminala domänen, som hittills inte utforskats så väl. Och bakterierna får fortsätta att fungera som proteinfabriker.

– Den N-terminala domänen, den första delen av proteinet, är extremt löslig och dess roll när spindeln lagrar spindeltrådsproteinet är att hålla det i lösning. När vi studerade den N-terminala domänen märkte vi även att bakterierna producerade väldigt stora mängder. Så vi tänkte att vi kanske kan utnyttja det i produktionen av andra proteiner, som proteinläkemedel, säger Anna Rising.

Ett livsviktigt proteinläkemedel är lungsurfaktant som ges till så tidigt födda barn för att de ska kunna expandera sina lungor och andas. Eftersom barnen inte själva kan producera det behandlas de idag med lungsurfaktant som har renats fram ur gris- och kolungor. På konstgjord väg är det däremot svårt att framställa. Men med hjälp av bakterier och den N- terminala domänen från spindeltrådsproteinet är det möjligt.

– Sedan, genom våra kunskaper om hur proteinet beter sig i naturen, kan vi rena det på ett enkelt och billigt sätt.

Spindlar är framgångsrika

Produkten har ännu inte testats på männi- skor men metoden verkar lovande enligt Anna Rising. Inte nog med det, eftersom surfaktant sprider sig så bra i lungorna tror Anna Rising att man kan använda det även på vuxna för leverans av andra läkemedel. Lungorna är annars svåra att nå ut i alla förgreningar. Genom att blanda vissa typer av anti- biotika och kortison med surfaktant kan läkemedlen spridas. Dessutom finns en annan fördel berättar Anna Rising:

– Man får hög lokal koncentration av läkemedlet i lungorna medan den systemiska, alltså i resten av kroppen, blir lägre vilket minskar risken för biverkningar. För vuxna går det åt mycket mer lungsurfaktant än hos nyfödda barn men med denna metod skulle alltså inte mängden bli ett hinder på samma sätt i produktionen. Och frågan är vilken ytterligare potential spindeltråden har?

Ja, det har inte Anna Rising svaret på än men hon poängterar hur unika spindlar är.

– Vi har studerat ett av naturens mest fascinerande material. Spindlar har funnits i mer i än 400 miljoner år och utvecklat den här förmågan att spinna tråd. Det har gjort dem väldigt framgångsrika, de finns över hela jorden. Eftersom bara de har utvecklat den här förmågan så måste det finnas mekanismer som är mycket specialiserade, som vi försöker dra nytta av.

Fakta om spindeltråd

Minst två gånger har förmågan att spinna silke uppstått i evolutionen. Hos insekter som silkesmaskar och hos spindlar. Det finns sju olika sorters spindeltråd med olika funktion. Ett för fångstspiralen, ett för att slå in bytet i etc. Alla har sina specifika mekaniska egenskaper.

Anna Rising har hittills endast forskat på en typ. Protein är stora molekyler som består av aminosyror. De är komplexa och viktiga för alla levande organismer. Proteiner är inblandade i nästan alla processer i våra celler. Insulin är ett exempel på ett mänskligt protein.

Anna Rising

Anna Rising är från början veterinär och forskar på spindeltråd från spindeln Euprosthenops australis. Den spinner en stark tråd som dessutom inte drar ihop sig vid kontakt med vatten.

Text: Teresa Matern