Для выживания в условиях отрицательных температур пауки рода Clubiona синтезируют специальные белки, действующие как антифризы. Проведя исследование членистоногих, обнаруженных в грушевых садах возле города Брно (Чехия), ученые выяснили, каким образом эти пауки избегают зимней спячки.
Пауки, как правило, не выносят холода, но членистоногие, относящиеся к виду Bolyphantes index и обитающие в Норвегии, успешно переносят низкие температуры. За зимной охотой также занимаются пауки-скакуны Philodromus spp и некоторые виды, встречающиеся на Аляске и в Чилийских Андах. Причиной этого является наличие антифризных белков, которые либо частично, либо полностью оберегают их от замерзания.
В последнее время исследователи обратили внимание на род пауков-мешконосцев, который встречается практически повсеместно Clubiona: вырабатываемый ими антифризный белок (АФП) с уникальной β-соленоидной структурой — молекулами, впервые обнаруженными у полярных рыб, — связывался с кристаллами льда, препятствуя замерзанию жидкостей. Хотя белки Clubiona были похожи на те, что вырабатывают мотыльки и жуки, они сформировались независимо в результате конвергентной эволюции, когда у разных организмов, не состоящих в близком родстве, развиваются схожие «решения» для выполнения одной и той же задачи.
В период с декабря 2022 по февраль 2023 года международная исследовательская группа во главе с Лори Грэм из Университета Куинс (Канада) собрала 43 паука. Они выяснили, что экстракт из тела одного паука способен снижать температуру замерзания воды более чем на четыре градуса Цельсия. Этот эффект сохранялся даже после двадцатикратного разбавления, при этом рост ледяных кристаллов прекращался. Результаты научной работы опубликованы в FEBS Journal.
Для очистки белков применяли пятиступенчатую аффинную хроматографию на льду — технологию, при которой белки, выделенные из раствора, подвергаются замораживанию вместе с ним. Результаты масс-спектрометрического анализа продемонстрировали, что антифризовые белки представлены в нескольких изоформах (их собственные регистрационные номера в базе данных GenBank: изоформа 1 — PQ846958, изоформа 2 — PQ846959. Белок также содержит гликозилированные участки, то есть углеводы, которые, по всей видимости, повышают его стабильность при низких температурах.
Используя метод транскриптомики для изучения активности генов, Грэм и его соавторы выявили наличие как минимум трех видов пауков в исследованной выборке Clubiona: С. pallidula, C. lutescens C. brevipes. Анализ последовательностей показал, что белки-антифризы, обнаруженные у пауков данного рода, являются уникальными и не были найдены у других представителей класса членистоногих, включая насекомых.
Структура АФП получила трехмерную форму благодаря моделированию с использованием системы AlphaFold2: β-соленоидная складка с плоской поверхностью была покрыта рядами остатков треонина, обеспечивающие возможность связывания и взаимодействия белков с кристаллами льда. Кроме того, белки Clubiona были чрезвычайно эффективными: при повторных циклах очистки они почти полностью связывались с замерзшей фракцией, чего не наблюдалось у белков полярных рыб (например, у атлантических тресковых).
Авторы статьи считают, что изучение природы антифризовых белков позволяет объяснить зимнюю активность пауков и открывает возможности для создания новых биотехнологий Clubiona также можно использовать для защиты культурных растений от промерзания, продления срока хранения пищевых продуктов, а также в медицине — например, при криоконсервации клеток и тканей.