Исследователи из Калифорнийского университета в Ирвайне и университетов Окаяма и Тохо в Японии провели уникальное исследование, чтобы понять, как хитоны — моллюски, питающиеся водорослями, растущими на прибрежных камнях в зоне прилива, — развивают такие твёрдые, износостойкие и магнитные зубы.
Результаты опубликованы в журнале Science.
В ходе исследования команда раскрыла процесс, с помощью которого специфические для хитонов железосвязывающие белки, называемые RTMP1, транспортируются в недавно формирующиеся зубы через наноскопические канальцы, называемые микроворсинками.
Расположение и время отложения белков точно контролируются, что обеспечивает развитие у существ твёрдой, прочной и устойчивой зубной архитектуры, позволяющей им выполнять повторяющиеся абразивные движения, от которых зависит их жизнь.
«Зубы хитонов, состоящие из наностержней магнетита и органического материала, не только твёрже и жёстче, чем эмаль человеческих зубов, но и твёрже, чем высокоуглеродистые стали, нержавеющая сталь, оксид циркония и оксид алюминия — современные инженерные керамики, изготовленные при высоких температурах», — сказал соавтор Дэвид Кисайлус, профессор материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Ирвайне.
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. Мы можем многому научиться у этих биологических конструкций и процессов.
Хитоны: от биологии к новым материалам
В мире насчитывается более 900 различных видов хитонов, большинство из которых обитает в прибрежных районах, подверженных воздействию приливов и отливов. Они могут быть найдены в таких местах, как Кристал-Коув и Лагуна-Бич, недалеко от кампуса Калифорнийского университета в Ирвайне. Однако Кисайлус отметил, что исследованные в этом исследовании особи гораздо крупнее и обитают на северо-западном побережье Соединённых Штатов и у побережья Хоккайдо в Японии.
Исследовательская группа выяснила, что белки RTMP1 существуют у хитонов в разных местах по всему миру, что предполагает «некоторое конвергентное биологическое проектирование в контроле отложения оксида железа», — по словам Кисайлуса.
Он сказал, что, когда он и его сотрудники начали работу, они не знали, как и когда эти железосвязывающие белки транспортируются в зубы хитонов. Но, используя комбинацию передовых материалов и молекулярно-биологического анализа, они обнаружили, что эти специализированные белки, первоначально обнаруженные в тканях, окружающих незрелые, неминерализованные зубы, направляются через наноструктурированные канальцы в каждый зуб.
Как только они оказываются внутри, белки связываются с предварительно собранными каркасами из хитиновых нановолокон — структурного биополимера, который контролирует архитектуру наностержней магнетита в зубах. Одновременно железо, хранящееся в ферритине, другом белке, обнаруженном в тканях за пределами зубов, высвобождается в каждый зуб, где оно связывается с RTMP1, что приводит к точному отложению наноразмерного оксида железа, который продолжает расти во время созревания зуба в высокоупорядоченные наностержни магнетита, в конечном итоге формируя сверхтвёрдые зубы.
Кисайлус сказал, что этот проект улучшил понимание человечеством клеточного метаболизма железа, одновременно предоставив представление о синтезе передовых материалов следующего поколения.
«Тот факт, что эти организмы формируют новые наборы зубов каждые несколько дней, не только позволяет нам изучить механизмы точного, наноразмерного формирования минералов в зубах, но и открывает перед нами новые возможности для пространственно и временно контролируемого синтеза других материалов для широкого спектра применений, таких как батареи, катализаторы топливных элементов и полупроводники», — сказал он.
Кисайлус отметил, что исследование отличалось сочетанием передовых методов материаловедения, включая электронную микроскопию сверхвысокого разрешения, рентгеноструктурный анализ и спектроскопию, с биологическими методами, такими как иммунофлуоресценция, отслеживание экспрессии генов и РНК-интерференция, чтобы раскрыть полную молекулярную хореографию формирования зубов хитонов.
«Сочетая биологические и материаловедческие подходы благодаря замечательным глобальным усилиям, мы раскрыли, как один из самых твёрдых и прочных биологических материалов на Земле создаётся с нуля», — сказал Кисайлус.
Его соавторами по этому проекту были Митико Немото, Коки Окада, Харука Акамине, Юки Одагаки, Юка Нарахара, Коири Обусе, Хисао Мория и Акира Сато из Университета Окаяма и Кендзи Окоши из Университета Тохо.
Предоставлено:
* Калифорнийский университет в Ирвайне.