Введение

Протеин насекомых

Резилин – эластомерный белок, обнаруженный у многих насекомых и других членистоногих. Он обеспечивает мягкую, резиноподобную эластичность механически активным органам и тканям; например, позволяет насекомым многих видов эффективно прыгать или вращать крылья. Резилин был впервые обнаружен Торкелем Вайс-Фогом в шарнирах крыльев саранчи. В настоящее время резилин является самым эффективным из известных эластичных белков (Elvin et al., 2005). Сообщается, что эластическая эффективность резилина, выделенного из сухожилия саранчи, составляет 97% (лишь 3% накопленной энергии теряется в виде тепла). Он не имеет какой-либо регулярной структуры, но его случайно скрученные цепи сшиты ди- и тритирозиновыми связями на оптимальном расстоянии, что обеспечивает необходимую эластичность для разгона некоторых прыгающих насекомых на расстояния до 38 раз превышающие их длину (как у блох). Резилин должен сохранять свои свойства на протяжении всей жизни взрослого насекомого и, следовательно, выдерживать сотни миллионов циклов растяжения и сжатия; его эластическая эффективность гарантирует работоспособность в течение всей жизни насекомого. Резилин проявляет необычные эластомерные свойства только при набухании в полярных растворителях, таких как вода. В 2005 году рекомбинантная форма белка резилина мухи *Drosophila melanogaster* была синтезирована путем экспрессии части гена мухи в бактерии *Escherichia coli*. В настоящее время активно изучается потенциальное применение рекомбинантных резилинов в биомедицинской инженерии и медицине.

Возникновение

После обнаружения в эластичных сухожилиях стрекоз и в шарнирах крыльев саранчи, реслин был найден во многих структурах и органах членистоногих.

Последовательность белка

Резилин был идентифицирован как продукт гена *Drosophila melanogaster* CG15920 благодаря сходству аминокислотного состава резилина и продукта этого гена. Ген *Drosophila melanogaster* состоит из 4 экзонов, кодирующих 4 функциональных сегмента в CG15920: сигнальный пептид и 3 пептида, кодируемые экзонами 1, 2 и 3. Сигнальный пептид направляет прорезилин во внеклеточное пространство, где белки резилина агрегируют и образуют сеть поперечных связей, после чего отщепляется от пептидов, в результате чего незрелый резилин становится зрелым. Начиная с N-конца, сегмент, кодируемый экзоном 1, содержит 18 копий повторяющейся последовательности из 15 аминокислотных остатков (GGRPSDSYGAPGGGN); сегмент, соответствующий экзону 2, содержит 62 аминокислоты консенсусной последовательности связывания с хитином Реберса-Риддифорда (R R); пептид, кодируемый экзоном 3, преимущественно состоит из 11 копий повторяющейся последовательности из 13 остатков (GYSGGRPGGQDLG). Обогащение глицином и пролином в экзонах 1 и 3 способствует формированию циклических структур в белке, а остатки тирозина способны образовывать ди- и тритирозиновые поперечные связи между белками.

Вторичная структура

Резилин является неупорядоченным белком, однако его сегменты могут приобретать вторичные структуры в различных условиях. Обнаружено, что пептидная последовательность, кодируемая экзоном 1, существует в неструктурированной форме и не может быть кристаллизована, что обеспечивает высокую мягкость и гибкость данного сегмента. Пептид, кодируемый экзоном 3, находится в неструктурированном состоянии до приложения нагрузки, но трансформируется в упорядоченную структуру бета-поворота при воздействии напряжения. Сегмент, кодируемый экзоном 2, служит хитин-связывающим доменом и, как считается, способствует процессу самосборки и эластичности белка. Другая функция PPII заключается в содействии самосборке: установлено, что квази-расширенная форма PPII способна взаимодействовать посредством межмолекулярных реакций, инициируя образование фибриллярных надмолекулярных структур. В отличие от этого, пептид, кодируемый экзоном 3, содержит как гидрофобные, так и гидрофильные блоки, что указывает на возможность образования мицелл, в которых гидрофобные блоки будут группироваться внутри, окруженные гидрофильными участками. В резилине тирозин и дитирозин выступают в качестве основных химических сшивок, где R-группы тирозина и дитирозина присоединяются к основной цепи растущего пептида. Андерсен пришел к этому выводу, основываясь на исследовании этих двух соединений, в ходе которого он исключил другие типы сшивок, такие как дисульфидные мостики, эфирные группы и амидные связи. При этом, в резилине отсутствует альфа-спираль, что приводит к случайной, скрученной и неупорядоченной структуре. Это обусловлено главным образом высоким содержанием пролина в резилине. Пролин – это объемная аминокислота, способная вызывать изгиб пептидной цепи, и из-за стерических препятствий со стороны боковой цепи не может быть включена в альфа-спираль. Тем не менее, сегменты реслина способны приобретать вторичные структуры в различных условиях.

Свойства

Как и другие биоматериалы, резилин является гидрогелем, то есть он набухает водой. Содержание воды в резилине при нейтральном pH составляет 50–60%, и отсутствие этой воды существенно влияет на свойства материала: гидратированный резилин ведет себя как резина, а обезвоженный – как стекловидный полимер. Высокая упругость (или эластичность) указывает на то, что материал способен накапливать значительное количество энергии и затем высвобождать ее. Растяжение материала является примером приложения энергии. Природный (гидратированный) резилин обладает упругостью 92%, что означает, что он может запасать 92% приложенной энергии для последующего высвобождения при разгрузке, что свидетельствует об очень эффективном переносе энергии. Для лучшего понимания жесткости и деформации реслина необходимо учитывать закон Гука. Для линейных пружин закон Гука утверждает, что сила, необходимая для деформации пружины, прямо пропорциональна величине деформации и определяется константой, являющейся характеристикой этой пружины. Материал считается эластичным, если он может деформироваться в значительной степени при приложении ограниченной силы. Гидратированный резилин имеет модуль упругости при растяжении 640–2000 кПа, модуль упругости при сжатии 600–700 кПа и относительное удлинение при разрыве 300%. В ходе исследования чистый резилин был синтезирован в виде 20% белкового гидрогеля и сшит с использованием тирозина, катализируемого рутением, в присутствии ультрафиолетового света. Исследователи из Университета Делавера и Университета Пердью разработали методы создания эластичных гидрогелей на основе реслина, совместимых со стволовыми клетками и обладающих схожей резиновой эластичностью с природным реслином. Также сообщалось о полусинтетических гидрогелях на основе реслина, содержащих полиэтиленгликоли.