Грибы играют важную роль в природных экосистемах, разлагая мёртвые органические вещества и возвращая их в окружающую среду в виде питательных элементов. Однако новое исследование, проведённое в Университете Юты, показывает, что один вид — Marquandomyces marquandii, распространённая почвенная плесень, — может стать потенциальным строительным блоком для новых биомедицинских материалов.
В последние годы учёные изучают грибной мицелий — сеть корневидных нитей (гиф), проникающих в почву, древесину и другие питательные субстраты, в поисках материалов со структурными свойствами, которые можно использовать в человеческих целях, особенно в строительстве.
В серии лабораторных демонстраций исследователи из Университета Юты показали, что M. marquandii может расти в гидрогелях — материалах, которые удерживают много воды и имитируют мягкость и гибкость человеческих тканей (согласно недавнему исследованию, опубликованному в JOM).
В отличие от других грибов, которые борются с удержанием воды и долговечностью, M. marquandii производит толстые многослойные гидрогели, которые могут поглощать до 83% воды и восстанавливать свою форму после растяжения или нагрузки, согласно Атулу Агравалу, ведущему автору исследования. Эти свойства делают его хорошим кандидатом для биомедицинского применения, такого как регенерация тканей, создание каркасов для выращивания клеток или даже гибких носимых устройств.
«То, что вы видите здесь, — это гидрогель с несколькими слоями», — сказал Агравал, держа стеклянную колбу, в которой растёт колония грибов в желтоватой жидкой среде. «Это видно невооружённым глазом, и эти слои имеют разную пористость. Верхний слой имеет пористость около 40%, а затем идут чередующиеся полосы с пористостью 90% и 70%».
Агравал является кандидатом наук в Инженерном колледже Джона и Марсии Прайс. Его статья — последняя из вышедших из лаборатории старшего автора Стивена Нэлевея, доцента кафедры машиностроения, который исследует биологические вещества для разработки биоинспирированных материалов со структурными и медицинскими применениями.
Агравал и Нэлевей стремятся защитить свои открытия о грибе Marquandomyces патентом.
«Этот гриб способен выращивать большие, мощные слои мицелия, что нас и интересует. Мицелий состоит в основном из хитина, который похож на то, что содержится в морских раковинах и экзоскелетах насекомых. Он биосовместим, но при этом имеет губчатую структуру», — сказал Нэлевей. «Теоретически его можно использовать в качестве шаблона для биомедицинских применений или попытаться минерализовать и создать костный каркас».
Грибы составляют отдельное царство организмов, и, по оценкам, их насчитывается от 2,2 до 3,8 миллиона видов, из которых охарактеризовано только 4%. На протяжении десятилетий учёные получали из грибов многочисленные фармакологические вещества, от пенициллина до ЛСД. Нэлевей входит в группу инженеров, которые сейчас изучают микроструктуры грибов для потенциального использования в других областях.
В сотрудничестве с учёным-микологом Университета Юты Брин Дентингером лаборатория Нэлевея опубликовала ряд статей, документирующих потенциально полезные структурные свойства различных видов грибов. В одной из них описано, как грибы, у которых короткие гифы, более жёсткие, чем у тех, у которых гифы длиннее. В другой статье перечислены различные способы, с помощью которых высокое соотношение прочности к весу у грибов-скобчатых делает их жизнеспособной альтернативой в различных областях, включая аэрокосмическую и сельское хозяйство.
Способ роста грибных гиф — причина, по которой у мицелиев могут быть полезные структурные свойства.
«По мере роста они закладывают поперечные стенки, которые затем разделяют действительно длинную нить на множество отдельных клеток», — сказал Дентингер, доцент кафедры биологии и куратор Музея естественной истории штата Юта. «Они будут расти вечно, пока есть достаточно питания. У них нет стадии развития, на которой они остановятся. Это принципиально иная стратегия жизни в окружающей среде, чем у животных».
Грибы развили многоклеточность способами, которые сильно отличаются от того, что мы наблюдаем у животных и растений, в которых клетки дифференцируются и обычно остаются в дифференцированных состояниях.
«В грибах каждая клетка способна дифференцироваться, а затем возвращаться в исходное состояние. Они просто более податливы и адаптивны», — сказал Дентингер. «Так что мы можем использовать многое из того, что ещё не изучено полностью».
Подобно многим открытиям, связанным с грибами, эксперименты с гидрогелем возникли в результате счастливой случайности. Группа изначально проводила исследования того, что они считали организмом, питающимся углеводородами, известным как «керосиновый гриб», который загрязняет авиационное топливо. Но по мере роста культур учёные заметили, что они ведут себя неожиданно, образуя странные слои. Дентингер правильно идентифицировал загадочный гриб как Marquandomyces.
«Это подчёркивает состояние микологии, потому что мы имеем дело лишь с небольшой долей грибов», — сказал Дентингер. «В коллекциях культур и даже в гербариях много ошибочной идентификации. Ошибочная идентификация — это просто часть игры. И поэтому я участвую в этой работе со Стивеном».
В ходе исследования команда обнаружила, что эти мицелиальные культуры демонстрируют необычайно высокую степень гидрофильности, удерживая 83% воды, не теряя своей формы.
«Интересно, что сам гриб создал полноценную структуру, которая была хорошо организована», — сказал Агравал. Гриб Marquandomyces превзошёл материалы, изготовленные из более изученных грибов, таких как Ganoderma и Pleurotus, видов, которые имеют ограничения в удержании воды, что ограничивает их применение в биомедицинских системах на основе гидрогелей.
В лабораторных экспериментах команда Агравала обнаружила, что материал может восстанавливать 93% своей формы и прочности после повторных нагрузок.
«Чтобы удерживать эту структуру вместе, вся колония мицелиев соединена вместе, и с помощью оптической визуализации мы увидели, что в местах перехода это функционально градуированная структура», — сказал Агравал. «Это помогает распределить концентрацию напряжений между слоями. Поэтому, когда мы применяем механическое напряжение, оно распределяется равномерно и помогает с механическими характеристиками этих гидрогелей».
Предоставлено Университетом Юты.