A biológia sajátos ága a biotechnológia, elvégre szép dolog a természet titkainak megfejtése, de még szebb, ha pénzt is sikerül csinálni belőlük. A selyem fontos ipari nyersanyag, amit a selyemlepke (Bombyx mori) gubójából nyerünk jó pár ezer éve. Azonban selymet nem csak a lepkék képesek előállítani, a pókok is termelnek selymet, ami sokkal erősebb is, mint a selyemlepkéből nyerhető szál, ez a pókokból ki is nyerhető kis mennyiségben, ám a pókselyem ipari felhasználásával már háromszáz éve kísérleteznek hiába, azon egyszerű oknál fogva, hogy a pókokat sokkal nehezebb szaporítani mint a selyemlepke hernyóit. Nyilván a pókok állati takarmányt igényelnek, a selyemlepke hernyói eperfaleveleken is elvannak, a pókok viszonylag nagy saját területet őriznek, míg a hernyók jól bírják a tömeget, így pókselymet csak hajmeresztően drágán lehet előállítani. Úgy tűnik erre a háromszáz éves problémára találtak megoldást Florence Teulé és munkatársai: Egyszerűen a pókselymet alkotó fehérjéket kódoló géneket juttattak a selyemlepke genomjába, a pókselyem fehérjéi beépültek a lepke selyemszálaiban, ami így a szokásos hernyóselyemnél sokkal erősebb szálat eredményezett.
A biológia sajátos ága a biotechnológia, elvégre szép dolog a természet titkainak megfejtése, de még szebb, ha pénzt is sikerül csinálni belőlük. A selyem fontos ipari nyersanyag, amit a selyemlepke (Bombyx mori) gubójából nyerünk jó pár ezer éve. Azonban selymet nem csak a lepkék képesek előállítani, a pókok is termelnek selymet, ami sokkal erősebb is, mint a selyemlepkéből nyerhető szál, ez a pókokból ki is nyerhető kis mennyiségben, ám a pókselyem ipari felhasználásával már háromszáz éve kísérleteznek hiába, azon egyszerű oknál fogva, hogy a pókokat sokkal nehezebb szaporítani mint a selyemlepke hernyóit. Nyilván a pókok állati takarmányt igényelnek, a selyemlepke hernyói eperfaleveleken is elvannak, a pókok viszonylag nagy saját területet őriznek, míg a hernyók jól bírják a tömeget, így pókselymet csak hajmeresztően drágán lehet előállítani. Úgy tűnik erre a háromszáz éves problémára találtak megoldást Florence Teulé és munkatársai: Egyszerűen a pókselymet alkotó fehérjéket kódoló géneket juttattak a selyemlepke genomjába, a pókselyem fehérjéi beépültek a lepke selyemszálaiban, ami így a szokásos hernyóselyemnél sokkal erősebb szálat eredményezett.
Egy Nephila clavipes nevű pókfaj selyemfehérjéit kódoló génekből indultak ki, amelyek szerkezetét és a szelyemfonál tulajdonságait befolyásoló tulajdonságait már korábban mások leírták. A pókselymet alkotó fehérjék ismeretében egy mesterséges gént terveztek, amelyet a szál rugalmasságáért és szakítószilárdságáért felelős néhány aminosav hosszúságú motívumok sokszori ismétlődéséből állítottak össze. A gén azonban önmagában nem minden, valamilyen élőlény is kell, ami megtermeli. Korábban is termeltek már pókselyem- fehérjéket E. coli baktériumban, élesztőgombában, emlős- vagy éppen rovarsejtvonalakban és növényi sejtekben is, ezeknek azonban közös hibája, hogy drágák, nehéz őket ipari méretekben alkalmazni és értelemszerűen semmi sincs a rendszerben, ami szállá szőné a selyemfehérjéket. Ezt a kérdést oldották meg egy huszárvágással, amikor egy piggyBac ugráló genetikai elem segítségével a selyemlepke genomjába juttatták, amelynek ugye az ipari hasznosítása évezredek óta megoldott, ráadásul szállá is szövi az általa termelt fehérjéket. A második ábrán látható a kész ugráló genetikai elem: A transzlálódó szakasz nagy részét kiteszi a két pókselyem fehérjéből származó, sokszor ismétlődő motívum (“flagelliform elastic motif” és “major ampullate spidroin-2 strength motif”), amely a selyemszál mechanikai tulajdonságaiért felelős. Ezeket 5′ és 3′ irányban is a selyemlepke fibroin nehézlánc (Fhc) fehérjének N- és C- terminális szakaszai határolják, ezek azért szükségesek, hogy a termelt fehérje beépüljön a szövőmirigyben éppen formálódó szálba, így a termelt fehérje tulajdonképpen egy kiméra, amelynek a C- és N- terminális szakaszai lepke eredetűek, míg a közepe pók eredetű. Ezen kívül még hozzátették a selyemlepke fhc génjének szabályozóelemeit, ami azt biztosítja, hogy a gén egyedül a szövőmirigyben fejeződjön ki, ám ott nagy mennyiségben. Két különböző konstruktot is készítettek, az első az itt leírt fehérjét kódolta, a második által kódolt fehérje viszont e mellett a GFP fehérjét kódoló szakaszt is tartalmazta, amely egyébként eredetileg egy medúzából származik, így ez a selyemfehérje ibolyántúli fényben zölden világít. 
A kész plazmidot, ami ezt a piggyBac elemet is tartalmazta, selyemlepke petékbe injektálták transzpozázforrással együtt, így az ugráló genetikai elem bejutott a genomba. Azokból a jószágokból, amelyekbe bejutott az ugráló genetikai elem homozigóta törzseket hoztak létre, ezeket nevezték el úgy, hogy “spider 6” és “spider 6-GFP”. A spider 6-GFP vonal bábjain már szabad szemmel is látszott a GFP kifejeződése (A), ibolyántúli fénnyel megvilágítva pedig a szövőmirigyek (B,C), és mikroszkóp alatt szemlélve maguk a selyemszálak is zölden világítottak, jelezve, hogy az ugráló genetikai elemmel bejuttatott gén megnyilvánul, termelődik a fehérje. Végül megállapították, hogy a kész selyemszál körülbelül 2-5% -a a rekombináns fehérje, a többi a selyemlepke saját fehérjéiből áll.
Megmérték az így készült szál mechanikai tulajdonságait és azt tapasztalták, hogy a rekombináns fehérjét is tartalmazó szálak törzsenként különböznek ugyan, de mindegyikük jelentősen felülmúlja a lepkeselymet, bár nem olyan erősek, mint a pókselyem. Az egyes rekombináns fehérjét termelő törzsek által szőtt szál tulajdonságai is eltérnek, nyilván a transzgén beépülésének a helye is számít. 
Összességében elmondható, hogy biotechnológiai megközelítéssel sikerült megkerülni egy évszázados problémát és egy nehezen tenyészthető állat (pók) előnyös tulajdonságokkal rendelkező termékét egy könnyen tartható másik jószágban megtermeltetni (selyemlepke), ezzel a hagyományos, évezredek óta nemesített lepke selyemszálánál sokkal erősebb szálat sikerült előállítani, ami minden jel szerint ugyanazon a gyártósoron előállítható, nem igényel különleges kezelést.
Teuléa F, Miaob Y, Sohnc B, Kimc Y, Hulla JJ, Fraser MJ, Lewisa RV, Jarvis DL (2012): Silkworms transformed with chimeric silkworm/spider silk genes spin composite silk fibers with improved mechanical properties. PNAS 109(1)
Akkor most a kevlar golyóállómellény-gyártók szépen csendben induljanak tönkremenni? 🙂
Nem egészen, a elég régóta gyártanak már selyem golyóálló mellényeket (news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/379338.stm), mégsem estek ki az iparból a műszálas gyártók. Mondjuk az is igaz, hogy erősebb selyemszálból jobb mellényt is lehet csinálni és még mindig csak a pókfonál erősségének a felénél járnak, szóval még lehet ezt tovább is fejleszteni. Gondolom a labor, amelyik ezt csinálta most úszik majd a pénzben, mindenki be akar szállni a szuperselyembe, ami semmivel sem kerül többe, mint a sima selyem.
Mondjuk a biotechnológia egyik fő haszna éppen ez lehetne, a méregdrága kompozit anyagokat kiválthatnánk nevetségesen olcsó természetes anyagokkal.
Sőt, az előbb hivatkozott riportban éppen azt írják, hogy az USÁban pókselyem mellényt akarnak gyártani, de a legfőbb nehézség éppen az, hogy még nem gyűjtöttek össze egy mellényre valót sem. Ez a kis találmány megoldja a gondjaikat.
Mondjuk akkor tényleg lehet, hogy a kevlárt leváltják majd vele.
Mondjuk nekem pont nem a golyóállómellény-gyártás forradalmasítása jutott eszembe erről az egészről, biztos lesz majd hasznosabb felhasználása is a cuccnak (bár akinek munkaeszköz a mellény, annak ez nyilván remek hír), főleg ha sikerül még erősebbé tenni.
http://science.discovery.com/videos/kapow-superhero-science-spider-silk-gene-goats.html
Van pokselymet gyarto kecske is.
Az azért engem érdekelne, hogy ez volt-e valamilyen befolyással a jószágokra? Úgy értem hogy lehet nem véletlenül olyan erős a száluk amilyen alapból. Tehát a lepkék képesek-e kibújni így a bábjukból (persze tudom, hogy nem is ez a cél, mivel még előtte “megkoppasztják” őket,) ill. képesek-e szaporodni és tovább örökíteni ezeket a géneket?
Vagy egyáltalán letesztelték-e ezeket?
@SankóNéró:
“Úgy értem hogy lehet nem véletlenül olyan erős a száluk amilyen alapból.”
Tényleg nem véletlenül, a lepke összesen egy jó vastag gubót sző a szálból, annyira kell erősnek lennie, hogy azt összetartsa. A pók ellenben vékony szálakból hálót sző, el kell bírnia a saját súlyát, meg a beleragadt kapálózó rovarokét is. Egyszerűen a lepkének sokkal gyöngébb szál is tökéletesen elég.
“Tehát a lepkék képesek-e kibújni így a bábjukból (persze tudom, hogy nem is ez a cél, mivel még előtte “megkoppasztják” őket,) ill. képesek-e szaporodni és tovább örökíteni ezeket a géneket?”
Kell hogy teljesen jól szaporodjanak, mivel a vizsgált törzsek egyetlen beépülést hordoznak, vagyis egyetlen egyed utódai. Ha nem tudnának rendesen szaporodni, akkor nem lehetne megvizsgálni a selyemfonál tulajdonságait sem, mert egyetlen bábról nem lehet annyit lefejteni, hogy bármit mérni lehessen vele. Nem utolsósorban a második képen látszik, hogy egy csomó bábjuk van már, tehát szaporították a jószágot.
Ezek az ugráló genetikai elemek ugyanis úgy működnek, hogy fognak néhány száz, néhány ezer petét, amikbe mind beoltják ugyanazt az ugráló genetikai elemet tartalmazó plazmidot, ami a kívánt gén mellett egy olyan gént is tartalmaz, aminek a kifejeződését könnyen nyomon követhetik. Ez esetben a Ds-Red volt ez a gén, egy olyan fehérje, ami ibolyántúli fényben pirosan világít, egy olyan promóter szabályozása alatt, ami a szemben működik. Ezek után a beoltott állítokkal nem foglalkoztak, hagyták, hogy kikeljenek és a szülői törzs egyedeivel kereztezték őket az utódaikat viszont egyesével megvizsgálták és kiválasztották azokat, amelyeknek a szeme pirosan világított. Nyilván ahol kifejeződik a Ds-Red gén, ott tuti, hogy beépült a genomba a transzgén és működik is, vélhetőleg a selyemfehérjét is termeli. Ez azért fontos, mert az ugráló genetikai elem beépülése ritka esemény, könnyen lehet, hogy csak minden ezredik-tízezredik-százezredik utódban (függ a konstrukttól, az ugráló genetikai elemtől is) jutott be egyáltalán a genomba, ráadásul ha az elem maga ott is ül a genomban valahol, ha éppen olyan helyre sikerült neki betelepedni, ahol valamiért nem fejeződik ki, akkor bbizony sem DS-red, sem pókselyem fehérjét sem fog termelni. Ez után, ha megvannak azok az egyedek, amiknek a szeme piros, ezekből homozigóta vonalakat kell létrehozni, mert ugye ezek még heterozigóták (a szüleik egyike hordozta csak a transzgént), márpedig ugye a heterozigóták utódai a Mendeli szabályok szerint 25% homozigóta recesszív, 50% heterozigóta, 25% homozigóta domináns, tehát párkeresztezéseket végeznek egy piros szemű szülő utódai között, amíg nem találnak olyanokat, amik már nem hasadnak, vagyis minden utóduk piros szemű. Ez a homozigóta vonal, ennek a selymét lehet csak vizsgálni. Szóval mire odáig jutottak, hogy megmérték a szál mechanikai tulajdonságait, már nagyon sok nemzedék eltelt, ha bármi bajuk lett volna a jószágoknak, az kiderült volna.
De amúgy a kérdés jogos, az ilyen kísérletekben rendszeresen kapni olyan beépüléseket, amik valamiért rosszabbul élnek, mint a többiek, vagy éppen terméketlenek, de ezeket eleve kidobják, mert ha nem tudod tovább tenyészteni, akkor homozigótát sem tudsz csinálni belőle, vagyis nem tudsz vele tovább dolgozni. Úgyhogy tuti, hogy jól szaporodnak, mert különben a cikk sem született volna meg.
Köszönöm kielégítő válaszod :). Csak ahogy olvastam, hogy azzal a pár száz, ezer példányról fejtik le amik be lettek oltva és egyből az jutott eszembe, hogy ez így nagyon macerás, ha nem örökítik tovább (nem mintha így nem lenne az.
Ill. hogy természet nem véletlenül csiszolta ilyenre őket,és csak azért maradnak fennt, mert mi nekünk érdekünk fűződik hozzá.. akár csak a nemesített állatok növények.
Persze mivel nem kell neki ilyen erős szál természetes, hogy nem kell kialakulnia szükség szerűen.
Egyébként miért hívják ugráló genetikai elemnek, ill, hogy találja meg a kívánt szakaszt ahova be kell épülnie? Talán ahogy végig szalad (ugrál) a DNS mentén, és az adott DNS szakasz végén nincs kiegészítve a lánc, hogy így megtalálja a hozzá illő részt?
“Egyébként miért hívják ugráló genetikai elemnek,”
Azért, mert változtatja a helyét a genomban. Az esőt Barbara McClintock (http://en.wikipedia.org/wiki/Barbara_McClintock) fedezte fel, eredetileg egy olyan gént talált, amit nem tudott betérképezni, mert mire elvégezte az ehhez szükséges keresztezéseket, már máshová került a genomban.
“ill, hogy találja meg a kívánt szakaszt ahova be kell épülnie?”
Attól függ. A P-elemnek (criticalbiomass.freeblog.hu/archives/2008/10/30/Ertelmes_tervezes_-_A_P-elem/) nincs ilyen kitüntetett beépülési helye, az itt használt piggyBac elem TTAA helyekre épül be, nyilván ezek iszonyatosan gyakoriak, statisztikai alapon számítva kétszázötven bázisonként találni egyet, szóval ettől bárhová beépülhet. Ezen kívül a lazábban csomagolt DNSből álló genomi régiókba gyakrabban ülnek be, például gének szabályozórégióiba, de a beépülésük véletlenszerű.
“Talán ahogy végig szalad (ugrál) a DNS mentén, és az adott DNS szakasz végén nincs kiegészítve a lánc, hogy így megtalálja a hozzá illő részt?”
MInden ilyen elem kódol egy transzpozáz enzimet, amelyik a DNS kivágását-beillesztését végzi, azonban mindegyik másképpen működik, így az ugrást előidéző biokémiai folyamat más és más az egyes különböző típusú ugráló genetikai elemekben, nem lehet rá általános receptet adni.
http://bibliaestudomany.network.hu/blog/biblia-es-tudomany-hirei/nagy-dobasokra-keszul-a-tudomany-2012-ben