Ученые из США и Германии синтезировали биополимеры, которые находятся в зубах некоторых видов кальмаров. Материалы из таких белков, полученные с помощью бактерий, обладали высокой прочностью, эластичностью, протонной проводимостью и способностью к восстановлению структуры. Статья опубликована в открытом доступе в Frontiers in Chemistry.
Захватывать и удерживать добычу в воде кальмарам помогают зубы, которые находятся в присосках на щупальцах. Прочность им придает не наличие минеральных солей, как у людей, а особенности строения и конформации макромолекул. Благодаря блокам из различающихся по свойствам мономеров в макромолекуле, на микроуровне происходит разделение фаз (как при смешении воды и масла), однако полностью расслоение не возникает, так как части молекулы связаны друг с другом. Вместо этого образуются периодические надмолекулярные структуры, которые придают уникальные физические свойства материалам из белков зубов кальмара.
Мелик Демирель (Melik Demirel) и Абдон Пена-Франчес (Abdon Pena-Francesch) из Пенсильванского университета предложили метод программируемого дизайна белков с повторяющейся структурой, изучили их свойства и возможность применения функциональных материалов и пленок на их основе. С помощью методов генной инженерии, авторам удалось в промышленных масштабах синтезировать белки с заданными молекулярными массами и последовательностью аминокислот. Экспрессию белка контролировали генно-модифицированные бактерии, поэтому продукт получился монодисперсным и обладал определенной последовательностью аминокислот.
Сегментированная структура молекулы белка (чередование аморфных и кристаллических доменов) позволила образовать стабильную сетку из β-листов, которая придавала материалам высокую прочность. В стеклообразном состоянии аморфные цепи не могли передвигаться друг относительно друга из-за водородных связей. Помимо этого, материал обладал эластичностью, способностью к самозалечиванию и переносу протонов. В зависимости от структуры молекулы, менялись оптические и термические свойства. Программируя ход синтеза таких белков можно получать вещества с нужными для определенных задач свойствами.
В виде пленок и покрытий, такие биополимеры могут использоваться в доставке лекарств, биосенорике, защищать ткани от механических повреждений с восстанавлением своей изначальной структуры. Наноматериалы из этих белков, по словам авторов, эффективны как мягкие биосенсоры. В области композитных материалов из оксида графена применение программируемых биополимеров расширяется до создания высокотехнологичных устройств хранения памяти и сенсоров. И в отличие от синтетических полимеров, биополимеры не загрязняют окружающую среду и могут стать отличной альтернативой пластмассам.
Ученые утверждают, что эти белки также можно применять даже в медицине, в силу их способности поддерживать рост клеток. На сегодняшний день часто для восстановления тканей используют хитозан. Китайским ученым удалось восстановить поврежденный спиной мозг обезьян с помощью биоматериала на основе этого вещества.
Алина Кротова