Многозадачный белок cформировал медные зубы глицер

Ученые установили необычный механизм образования крепкого как бронза материала зубов морских червей, который больше не встречается ни у каких животных. Оказалось, что большую роль в формировании челюстей играет простой по составу, но обладающий сложными функциями белок, который авторы назвали многозадачным (multi-tasking protein). Он выступал в синтезе и как структурный элемент, и как организатор, и как производитель: связывал медь, разделял фазы, индуцировал полимеризацию дигидроксифенилаланина (DOPA) до меланина, служил подложкой для синтеза двумерных композитных меланин-белковых пленок и управлял механическими свойствами получаемого материла. Исследование опубликовано в журнале Matter.

Морские черви глицеры известны своими крепкими зубами с большим содержанием меди, которые они используют для охоты и защиты. Челюсти глицеры (Glycera dibranchiata) — четыре черных клыка длиной в два миллиметра, содержат около 50 процентов белка, 40 процентов меланина и около десяти процентов меди. Как ученые поняли ранее, за твердость и износостойкость отвечают меланин и ионы меди, но зачем в материале белок, до сих пор было неизвестно.

Уильям Уондерли (William R. Wonderly) с коллегами из Калифорнийского университета определили механизм образования материала зубов глицер и обнаружили, что белок играет в нем ключевую роль. Для изучения формирования зубов, исследователи выделили из них белок и выявили его состав и свойства. Ученые исследовали способность молекул этого вещества связывать ионы меди, изучили структуру и механические свойства комплексного соединения белка с медью, а также степень экстракции меди в фазу, содержащую этот комплекс. Так как белок содержал много гистидина, авторы предположили, что его медный комплекс может выступать в роли катализатора реакции синтеза меланина, что они и проверили. Ученые также оценили способность белка помогать образованию биополимерных пленок и волокон из получаемого меланина.

Молекула многозадачного белка состоит в основном из гистидина и глицина. Она оказалась способна связывать до 22 эквивалентов ионов меди, то есть по иону на каждый килодальтон своей массы. В комплексе с медью белок обладает как незаряженными участками, так и заряженными, может организовываться в нерастворимые в растворе соли капли и играть роль разделителя фаз.

Максимальная скорость реакции окисления дигидроксифенилаланина (DOPA) до меланина, которую комплекс белка с 10 эквивалентами меди катализировал, достигала 0,9 миллимоль в минуту. В результате этой реакции на поверхности раствора образовывались прозрачные пленки, которые при механическом воздействии склеивались в черный материал состоящий на десять процентов из меланина. Из биополимерных пленок авторы получили волокна, которые могли растягиваться на четверть и выдерживать воздействия механической энергии около 13 мегаджоулей на кубический метр.

Обнаруженные свойства белка и его комплекса с медью позволили предположить механизм ранних стадий образования зубов глицер. Сначала многозадачный белок накапливает медь, которая экстрагируется из морской воды в белковую фазу. Затем соединение меди с белком катализирует медленную и контролируемую реакцию превращения дигидроксифенилаланина в меланин — полимер, который вместе с тем же белком и соединениями меди образует крепкие зубы глицер.

Такое большое количество функций, которое может выполнять один белок, вкупе со своей простотой состава может стать основанием для использования его в создании новых биоматериалов.

Материалы зубов представителей животного мира не первый раз привлекают внимание ученых. Американские и немецкие ученые
оценили прочность материала, полученного из биополимера, аналогичного тому, что находится в зубах кальмаров. Других исследователей заинтересовало устройство тканей зубов моллюсков, и они даже сделали из него материал для 3D-печати.

Алина Кротова