Produção e caracterização molecular de fibras sintéticas das aranhas Parawixia bistriata e Nephilengys cruentata

Abstract

Sedas de aranhas são caracterizadas pela diversidade química, estrutural e funcional, variando de sedas muito elásticas (flageliforme) a fibras extremamente resistentes (linha de segurança). Para melhor entender a relação entre o comportamento elastomérico da seda flageliforme e sua estrutura molecular, foi expressa uma proteína recombinante em bactéria baseada na sequência nativa da flageliforme (Flag) da aranha Nephilengys cruentata e, a partir dessa proteína, foi polimerizada uma fibra sintética. Estudos de espectroscopia Raman das fibras sintéticas mostraram que a proteína Flag recombinante possui uma mistura de várias estruturas secundárias, dominada por estruturas helicoidais e β-turn. Análises de dispersão de raios X de grandes ângulos (WAXS) mostrou a presença de dois anéis difusos de diferentes intensidades que são consistentes com a presença de estruturas helicoidais. Análise de microscopia de força atômica (MFA) e microscopia eletrônica de varredura (MEV) mostrou que a superfície dessa fibra sintética é amorfa o que sugere que processo de extrusão e a sequência primária da proteína interfere nas propriedades físicas da fibra. Uma proteína recombinante baseada na sequência da proteína MaSp1, presente na seda linha de segurança da aranha, Parawixia bistriata também foi expressa em bactéria e fibras recombinantes foram formadas. Após a extrusão essas fibras foram processadas. Testes mecânicos mostraram que as fibras processadas possuem melhores propriedades mecânicas. Estudos de espectroscopia Raman e WAXS dessas fibras revelaram que o processamento promove a formação de folhas-β, o que indica que esse processo é muito importante na formação correta das estruturas secundárias, o que leva a formação de fibras de melhor qualidade. A análise do tipo MFA mostrou que a fibra não processada é caracterizada pela presença de estruturas nanoglobulares, enquanto a fibra processada apresenta uma aparência lisa e uniforme. O presente estudo avaliou fibras Flag e MaSp1 sintéticas descrevendo suas conformações, propriedades mecânicas, orientação das proteínas e detalhes das superficies das fibras, além de sua organização molecular interna. ______________________________________________________________________________ ABSTRACT

Spider silk are characterized by diversity in their chemistry, structure and functions, ranging from very extensible silk (flagelliform) and remarkably strong fiber (dragline). In order to better understand the relationship between the elastomeric behavior of flagelliform silk and its molecular structure, we expressed a recombinant silk protein based on the native flagelliform protein (Flag) from Nephilengys cruentata and spun it into fibers. Raman spectroscopy studies of the synthetic fibers showed that the Flag-like protein accommodated a mixture of several secondary structures, dominated by helical and β-turn structures. Wide Angle X-ray Scattering (WAXS) data shows the presence of two diffuse rings of different intensities that are consistent with the presence of helical structures. Atomic Force Microscopy (AFM) and Scanning Electron Microscopy (SEM) analyses showed that the surface of the synthetic fiber was amorphous suggesting that the physical properties of Flag-like spider silk depend on the spinning process and on the primary sequence of the Flag-like protein. We also expressed a recombinant protein based on Parawixia bistriata Major Ampullate Spidroin 1 (MaSp1) from dragline and spun into fibers. As spun fibers were post spin stretched. Mechanical test results showed that postspin stretched fibers had better overall mechanical properties. Raman spectroscopy and WAXS studies of those fibers revealed that the postspin treatment promoted the formation of β-sheet, indicating that this process is key to help the proteins in the fiber form correct secondary structures, leading to better quality fibers. Atomic Force Microscopy (AFM) analyses showed that the surface of these as spun fibres is characterized by the presence of nanoglobular structures, while the topographical landscape of postspin stretched fibers is uniform and smooth. The present study was able to evaluate synthetic Flag-like and MaSp1-like fibers describing the conformation, mechanical properties, orientation of the proteins and unique details of the synthetic spider fibers surface structure and internal molecular organization.