Морские блюдечки стали вдохновением для экологичной альтернативы кевлару

Природа способна производить невероятно прочные материалы: одним из ярчайших примеров тому является паутина. В 2015 году учёные из Портсмутского университета обнаружили, что самой прочной биологической структурой являются зубы моллюсков, известных как морские блюдечки. Спустя годы экспериментов исследователи научились воспроизводить биоматериал, который может стать экологичной альтернативой синтетическим композитным материалам вроде кевлара.

University of Portsmouth

Морские блюдечки – это морские и пресноводные моллюски, отличительной чертой которых является конусообразная раковина, не свёрнутая в спираль. Они проводят свою жизнь на подводных скалах в зонах прибоя, плотно присасываясь к их поверхности. Эти брюхоногие животные употребляют в пищу водоросли, счищая их с камней при помощи миниатюрных, но чрезвычайно прочных зубов. В 2015 году исследователи проанализировали зубы моллюсков на атомном уровне с применением сканирующего атомно-силового микроскопа. Анализ показал, что предел прочности этих структур варьируется от 3 до 6,5 ГПа. Для сравнения, предельное напряжение на разрыв каркасной паутины паука вида Araneus diadematus составляет от 1,1 до 2,7 ГПа, а предел прочности стали оценивают в 0,4 – 1,5 ГПа. По мнению исследователей, секрет невероятной прочности зубов моллюсков из группы морских блюдечек заключается в основе из хитиновых волокон с кристаллами железосодержащего минерала гётита.

Морские блюдечки стали вдохновением для экологичной альтернативы кевлару
Морское блюдечко «обедает» / Jonathan Bird / SeaPicks
Rebecca Kordas/UBC
Морские блюдечки стали вдохновением для экологичной альтернативы кевлару
Зубы морского блюдечка / University of Portsmouth

На протяжении нескольких лет учёные изучали, как морские блюдечки синтезируют такой материал. По окончании многочисленных экспериментов исследователи наконец разработали методику имитации зубоформирующего органа моллюсков – радулы. Для этого они покрыли стекло сывороткой гемолимфы пателлы обыкновенной (эти морские блюдечки встречаются в водах Западной Европы), а затем распределили по его поверхности хитин и оксид железа – все эти элементы входят в состав зубов моллюсков. Ко всеобщему удивлению, спустя две недели эти элементы самоорганизовались в структуры, имеющие сходное строение и функционал с радулами моллюсков. Прежде такой уровень регенерации учёные наблюдали только на примере губок, которые, в отличие от моллюсков, не имеют настоящих тканей и органов.

Клетки радулы в улитках-донорах и в лабораторной пробирке / Biomimetic generation of the strongest known biomaterial found in limpet tooth / Robin M. H. Rumney, Samuel C. Robson, Alexander P. Kao, Eugen Barbu, Lukasz Bozycki, James R. Smith, Simon M. Cragg, Fay Couceiro, Rachna Parwani, Gianluca Tozzi, Michael Stuer, Asa H. Barber, Alex T. Ford & Dariusz C. Górecki

Затем ведущий автор исследования доктор Робин Рамни потратил около полугода, чтобы подобрать идеальные условия для клеток искусственной радулы и заставить её выращивать зубы. В конце концов ему удалось получить как отдельные зубики, так и «ленты» зубов. По словам доктора Рамни, этот процесс в корне отличается от методик культивирования микроорганизмов и даже раковых клеток в лабораторных условиях. В результате успешного воспроизведения работы клеток радулы, учёные сумели вырастить несколько образцов прочнейшего биоматериала. Далее исследователи планируют найти способы масштабирования производства данного материала. Для этого они изучают естественные процессы железообразования в организмах моллюсков. Имея в своём распоряжении полную расшифровку генома радулы, учёные могут извлечь гены, ответственные за эти процессы, и внедрить их в геном бактерий или дрожжевых грибков, чтобы нарастить темпы производства прочнейшего композитного биоматериала.

Морские блюдечки стали вдохновением для экологичной альтернативы кевлару
Образец биоматериала, окрашенный пигментом «берлинский лазурный», который связывается с железом в его составе / University of Portsmouth
Транскриптома радулы морского блюдечка и гены, отвечающие за формирование зубов / Biomimetic generation of the strongest known biomaterial found in limpet tooth / Robin M. H. Rumney, Samuel C. Robson, Alexander P. Kao, Eugen Barbu, Lukasz Bozycki, James R. Smith, Simon M. Cragg, Fay Couceiro, Rachna Parwani, Gianluca Tozzi, Michael Stuer, Asa H. Barber, Alex T. Ford & Dariusz C. Górecki

По словам доктора Рамни, сегодня океан переживает не лучшие времена, в том числе из-за пластикового кризиса. Есть что-то удивительное в том, что теперь морские обитатели «учат» нас, как их защитить, заменяя вездесущий пластик биологической альтернативой. Изначально это было исследование, движимое исключительно любопытством биологов, которые решили попробовать выращивать клетки радулы морских блюдечек с применением методик, используемых для культивирования клеток млекопитающих. Однако его результаты оказались гораздо более поразительными и приятными, особенно учитывая перспективу применения подобных материалов. В частности, морские блюдечки стали вдохновением для биоразлагаемой альтернативы кевлару и прочим полиамидам: ресурсоёмким, дорогим и токсичным в производстве и сложным в утилизации.

Поделиться в соцсетях

Добавить комментарий