Вирус конструктора: Структурные различия
Известно, что многие свойства материалов зависят от их микроскопической структуры. Весьма умело этим пользуется эволюция, бесконечно тасуя одни и те же исходные блоки и создавая из них структуры и материалы удивительно разнообразных качеств.
«Вдохновила нас сама природа, — говорит профессор Сын-Ук Ли (Seung-Wuk Lee), — Она удивительно умело создает функциональные материалы самых разных свойств, комбинируя очень простые строительные блоки. Мы попытались найти способ повторить этот подход, создавая разнообразные сложные структуры на базе спиральных фрагментов — такие структуры характерны для коллагена, хитина и целлюлозы». У живых организмов, растений и животных, эти сложные сахара служат основой для огромного количества биоорганических материалов разных свойств.
Из хитина состоит панцирь насекомых, из целлюлозы — древесина, из коллагена — наши сухожилия... имеются и более необычные примеры. Так, у многих животных — таких, как мартышки мандрилы — кожа на некоторых участках тела имеет выраженный синий цвет, что связано с особенностями отражения света определенными коллагеновыми структурами. Другая конфигурация структуры из волокон коллагена позволяет роговице глаза быть почти совершенно прозрачной. А коллаген, закрученный в нити и дополнительно минерализованный кальцием и фосфором, формирует основу самых прочных деталей нашего тела — костей и зубов. Основа во всех случаях абсолютно одна — коллаген, и вся разница — структурная.
По словам профессора Ли, когда-то в зоопарке Сан-Франциско, наблюдая за теми самыми мандрилами, он внезапно поразился тому, что в основе своей ее ярко-синяя кожа и твердые белые зубы — одно и то же. Ученого потрясло то, как способ укладки, переплетения, изгиба коллагеновых волокон определяет свойства материала. Осталось понять главное — как именно природа регулирует формирование этих разных структур — а затем, возможно, и попытаться использовать эти знания для создания новых полезных материалов.
Однако исследовать свойства самого коллагена нелегко: это довольно инертная молекула, манипулировать химическими и физическими свойствами которой непросто. Ученым потребовалась подходящая адекватная модель, на примере которой можно было бы сделать нужные эксперименты.
Такой системой стал водный раствор определенных солей, содержащий различные количества обычного вируса, бактериофага М13. Паразитируя исключительно на бактериях, он абсолютно безопасен для человека. А главное — вытянутые палочки его спиральных частиц структурно очень напоминают коллагеновые нити.
В этот раствор ученые погружали плоскую стеклянную пластину и на определенной скорости вынимали обратно, уже покрытую слоем вирусных частиц. Все делалось чрезвычайно осторожно и медленно; сдвигая стекло на 10−100 мкм в минуту, требовалось до 10 часов на то, чтобы вынуть стекло из воды целиком. Помимо скорости подъема пластины, авторы также варьировали скорость ее спуска в раствор, концентрацию в нем вирусных частиц, степень вязкости раствора и величину его поверхностного натяжения, скорость испарения с вынутой пластины. При различных сочетаниях этих факторов удалось добиться формирования разных структур из вирусных частиц — для начала, трех.
При относительно низком содержании вируса — до 1,5 мг/мл — получались упорядоченные структуры из повторяющихся плоских полосок, уложенных, как паркетный пол, частицами, ориентированными перпендикулярно друг к другу. Замедление скорости поднятия стеклянной пластины приводило к тому, что вирусные частицы сперва «слипались» друг с другом, и лишь затем, группами, присоединялись к поверхности пластины, образуя спиральные структуры. Самой сложной получилась структура при концентрации вирусных частиц от 4 до 6 мг/мл: она складывалась из компонентов, формой напоминающих барабанные палочки, и взаимодействовала со светом на манер призмы.
Один из авторов работы, Ву-Чжэ Чхон (Woo-Jae Chung) поясняет: «Мы можем задавать тип финальной структуры, меняя факторы, влияющие на кинетику и термодинамику процесса ее сборки из первоначальных блоков. Мы можем контролировать степень упорядоченности, направление закручивания спиралей, размеры повторяющихся структур и дистанцию между ними».
Такая работа интересна не только как модель происходящего в живой природе, но и как перспективный метод получения новых полезных материалов. Ученые даже предложили, как их метод может применяться в биологии и медицине. Можно модифицировать сами вирусные частицы, получая из них белки с определенными заданными свойствами, а затем выращивать из них структуры нужных характеристик. Можно даже провести их искусственную минерализацию, как это происходит в костной ткани, и получать композитные материалы, по свойствам близкие к эмали зубов. Все это, возможно, даст источник отличных материалов для трансплантации больным людям.
Стоит отметить и простоту метода: достаточно задать начальные параметры процесса — и всю остальную работу выполняют сами вирусные частицы, не требуя ни внимания, ни вмешательства извне. Этому удивляется и сам профессор Сын-Ук Ли: «Мы оставляли процесс идущим на ночь и, приходя к утру, получали триллионы вирусных частиц, аккуратно уложенных на подложке. (...) А впрочем, главное — то, что мы теперь немного лучше понимаем подход, выработанный эволюцией для формирования сложных структур и материалов».
По пресс-релизу National Science Foundation