Скромные моллюски нашей планеты обладают зубами, которые не идут на компромисс. Исследователи изучают, как один из самых твёрдых и прочных биологических материалов на Земле стал таким крепким, и рассматривают крошечного морского моллюска под названием хитоны. Их челюсти твёрже и жёстче, чем эмаль человеческих зубов, и прочнее нержавеющей стали, но при этом они износостойкие и магнитные.
«Хитоны отращивают новые зубы каждые несколько дней, которые превосходят материалы, используемые в промышленных режущих инструментах, шлифовальных средах, зубных имплантатах, хирургических имплантатах и защитных покрытиях. При этом они формируются при комнатной температуре и с наноразмерной точностью», — говорится в заявлении Дэвида Кисайлуса, профессора материаловедения и инженерии в Калифорнийском университете в Ирвайне. «Мы можем многому научиться у этих биологических конструкций и процессов».
Кисайлус является соавтором исследования, недавно опубликованного в журнале Science. В работе использовалась крупная разновидность хитона, обитающая в основном в приливных зонах Тихого океана вблизи кампуса Калифорнийского университета в Ирвайне.
Зубы моллюска состоят в основном из наностержней магнетита (магнитного минерала и разновидности оксида железа) и органического материала, который встречается на северо-западном побережье Соединённых Штатов и у побережья Хоккайдо в Японии. Кисайлус и его коллеги специально изучали, как железосвязывающие белки RTMP1 перемещаются в формирующиеся зубы хитона.
Исследование зубов хитона
На четырёхпанельном исследовательском изображении хитон размером более 20 сантиметров показан в верхнем левом углу. На средней панели в верхнем ряду справа показана нижняя сторона хитона, где его рот (ротовая полость) открыт, подчёркивая расположение сверхтвёрдых зубов, способных грызть камни (крайняя правая панель). Панель в нижнем левом углу показывает эволюцию зубов хитона от светлого к тёмному, причём более тёмный цвет обозначает присутствие упрочняющего оксида железа в материале зуба, процесс которого является предметом данного исследования.
Команда выяснила, что железосвязывающие белки в зубах используют небольшие наноскопические канальцы, называемые микроворсинками, чтобы перемещаться из тканей вокруг незрелых, неминерализованных зубов в более зрелые и минерализованные зубы. Как только они оказываются внутри, белки связываются с каркасами из хитиновых нановолокон — крупных молекул, которые определяют, как строятся наностержни, из которых состоят зубы.
В то же время железо из окружающих тканей также поступает в зубы, где оно связывается с белком RTMP1. Это позволяет оксиду железа, который образует наностержни магнетита, накапливаться и в конечном итоге вырастать в характерные твёрдые зубы хитона.
По словам команды, у хитонов в разных регионах мира есть белки RTMP1, что указывает на «некоторую конвергенцию биологического дизайна в контроле отложения оксида железа», — пояснил Кисайлус.
В конечном итоге исследование формирования зубов хитона имеет важное значение для производства других передовых материалов. «Тот факт, что эти организмы отращивают новые зубы каждые несколько дней, не только позволяет нам изучить механизмы точного, наноразмерного формирования минералов в зубах, но и открывает перед нами новые возможности для пространственно-временного контролируемого синтеза других материалов для широкого спектра применений, таких как батареи, катализаторы топливных элементов и полупроводники», — добавил он. «Это включает в себя новые подходы к аддитивному производству — 3D-печати — и методам синтеза, которые являются гораздо более экологичными и устойчивыми».
Статья «Неожиданное морское существо с самыми твёрдыми зубами на Земле» впервые появилась на сайте Popular Science.