Coiling and maturation of a high-performance fibre in hagfish slime gland thread cells

Abstract

Summary The defensive slime of hagfishes contains thousands of intermediate filament protein threads1 that are manufactured within specialized gland thread cells2–4. The outstanding material properties of these threads, which rival spider dragline silks, make them an ideal model for biomimetic efforts to produce sustainable protein materials5. The gland thread cell is remarkable because of the strength of the thread it produces, but also because of the thread’s impressive length (~150 mm)1, its exquisite packaging within the cytoplasm3,4, and its ability to deploy rapidly in seawater without tangling6. The thread bundle (or “skein”) is organized into staggered loops that spiral around the long axis of the cell. In mature cells, these highly organized loops fill most of the cell volume. Although the exact site of thread assembly is unknown, the thinnest regions of the thread are found adjacent to the nucleus7,8. Intermediate filaments and microtubules are known to interact during early stages of thread assembly, but the mature thread is electron dense with no discernable ultrastructure7,8. Until now, we have lacked information about gland thread cell development, including high power images of very young cells that could provide insight into how the thread is coiled and how it matures. Here we show (1) how changes in nuclear morphology, size, and position can explain the three-dimensional pattern of thread coiling in gland thread cells, and (2) how the ultrastructure of the thread changes from very young thread cells up to large cells with fully mature skeins7–9. Our model provides an explanation for the complex process of thread assembly and organization that has fascinated and perplexed biologists for over a century10, and provides valuable insights for the quest to manufacture high-performance biomimetic protein materials.

Mechanics of Vascular Smooth Muscle

“…21C, solid and open symbols, respectively) resemble the loading curves shown in, respectively, Figure 18C (J-shaped) and Figure 18D (Sshaped). Hagfish thread secreted by a gland thread cell and consisting mainly of two intermediate filament proteins (522) displays yield and an apparent plastic behavior in a lowstrain region (Fig. 18E).…”

Yarının Yüksek Performanslı Liflerine Doğal Bir Yaklaşım: Balık Asalağı Salgısı Lifleri

“…Bu hücre türlerinden ilki tamamen balık asalaklarına özgü olan salgı lifi hücreleri (Gland Thread Cells-GTCs) olarak bilinen elips şekilli hücrelerdir [5,9,15,16,18]. Salgı lifi hücrelerinin (GTC) içerisinde salgılanmaya hazır, ara filamentler (IFs-intermediate filaments) olarak bilinen oldukça sıkı şekilde sarılmış yumaklar şeklinde olan filament toplulukları bulunmaktadır (Şekil 1-b) [7,15,[17][18][19][20]. Kasların uyarılması ile salgı bezlerini çevreleyen kasların kasılması sonucu her iki hücre tipi de salgı bezi içerisinden dar salgı bezi gözeneğinden dışarı atılmaya zorlanır.…”

“…Salgı bezi gözeneklerinden dış ortama çıkarken dar gözenek yapısı ile GTC ve GMC hücrelerini çevreleyen hücre zarları parçalanır [24] ve hücreler deniz suyu içerisinde plazma zarını tamamen kaybederler. Hücre duvarı içerisinde sarmal bir demet şeklinde bulunan ara filamentler, zarın kaybolması ile toplam uzunluğu yaklaşık 15 cm'i bulan 1-3 μm çapında lifler halinde serbest hale geçerler [3, 10,13,[17][18][19]24,25].…”

“…Elips şeklinde olup sarmal bir yapıya sahip olan bu lif topluluğu elipsin tabanından en üst noktasına kadar iç içe geçmiş konik formda lif eğrilerinden oluşur (Şekil 3-b ve Şekil 3-c) [9]. Şekil 3-a'da bu lif hücrelerinin gelişimi sırasında GTC çekirdeklerinin (nucleus) zamana bağlı boyut ve şekil değişimi gösterilmektedir [9,17,19]. Şekil 3-d'de ise balık asalağının salgı bezleri tarafından üretilen sarmal yapılı lif hücrelerinin sitoplazma içerisindeki halinin SEM görüntüsü ve bu sarmal yapının salgı bezi duvarları içerisinde çözülürkenki görüntüsü verilmiştir [29].…”

Will hagfish yield the fibers of the future?

“…The nucleus shrinks, adopts a conical shape, and migrates to one end of the cell. There, it acts as a spindle onto which about 500 neat loops of threads eventually nest together (3). "Tim's work was a big step forward for us," says Fudge.…”