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
И не высох на воздухе за один месяц
Материаловеды из Китая получили гидрогель из катионного мономера, содержащего большое количество полимерных клубков. Благодаря тому, что клубки легко распутывались при деформации, гидрогель оказался очень эластичным и выдерживал растяжение на 10000 процентов относительно исходной площади образца. Кроме того, он обладал ионной проводимостью и быстро самозаживлялся после небольших повреждений, а также оказался очень прочным и не лопнул, даже когда на него встал человек весом 50 килограмм. Исследование опубликовано в Science.