Морской моллюск хитон обладает зубами, которые являются одним из самых твердых и прочных биологических материалов на Земле. По своей твердости и жесткости они превосходят эмаль человеческих зубов и нержавеющую сталь. Эти зубы отличаются высокой износостойкостью, обладают магнитными свойствами и полностью регенерируются каждые несколько дней, что делает их более совершенными, чем материалы, используемые в промышленных режущих инструментах и хирургических имплантатах.
Исследование, посвященное этому организму, было опубликовано в журнале Science. Соавтором работы выступил Дэвид Кисайлус, профессор материаловедения и инженерии из Калифорнийского университета в Ирвайне. Целью ученых было понять, как зубы хитона, состоящие из наностержней магнетита и органического материала, достигают такой исключительной прочности.
В центре внимания оказался специфичный для хитона железосвязывающий белок RTMP1. Именно этот белок управляет процессом минерализации, который превращает мягкие ткани в сверхпрочный материал. Исследователи изучали особи хитонов размером более 20 сантиметров, обитающие в приливных зонах Тихого океана недалеко от кампуса Калифорнийского университета.
Механизм формирования зубов начинается с доставки белков RTMP1 из окружающих тканей в незрелые зубы. Белки перемещаются по наноскопическим канальцам, называемым микроворсинками. Этот процесс обеспечивает точное поступление строительного материала в зону роста.
Оказавшись внутри зуба, белки RTMP1 связываются со структурным каркасом, состоящим из хитиновых нановолокон. Этот каркас действует как матрица, которая определяет конечную архитектуру и ориентацию минеральных компонентов зуба.
Одновременно с белками в зуб поступает железо из окружающих тканей. Оно прикрепляется к белку RTMP1, что запускает ключевой процесс. Эта связь инициирует накопление оксида железа и его последующую кристаллизацию.
В результате этого управляемого процесса формируются упорядоченные наностержни магнетита — магнитного минерала, который и придает зубам их знаменитую твердость. По мере созревания зубы хитона темнеют, что визуально отражает ход минерализации.
Присутствие белков RTMP1 у хитонов, обитающих в разных регионах, включая северо-западное побережье США и побережье Хоккайдо в Японии, указывает на явление, известное как «конвергентный биологический дизайн». Это означает, что разные виды независимо друг от друга выработали схожий механизм для управления отложением оксида железа.
Биологический процесс, который хитоны используют для создания своих зубов, происходит при комнатной температуре и с наноразмерной точностью. Это представляет собой модель для разработки более экологичных и устойчивых методов синтеза материалов, контрастирующую с энергозатратными промышленными технологиями.
Понимание этого природного механизма открывает перспективы для создания новых функциональных материалов. Знания могут быть применены для разработки более эффективных аккумуляторов, катализаторов для топливных элементов и полупроводников.
Особенно перспективным является применение этих принципов в аддитивном производстве, или 3D-печати. Способность хитона пространственно и временно контролировать синтез материала может вдохновить на создание новых подходов к послойному созданию сложных и высокопрочных структур. Этот моллюск, которого иногда называют «блуждающий мясной рулет», фактически содержит в себе чертежи для будущих технологий.
Изображение носит иллюстративный характер
Исследование, посвященное этому организму, было опубликовано в журнале Science. Соавтором работы выступил Дэвид Кисайлус, профессор материаловедения и инженерии из Калифорнийского университета в Ирвайне. Целью ученых было понять, как зубы хитона, состоящие из наностержней магнетита и органического материала, достигают такой исключительной прочности.
В центре внимания оказался специфичный для хитона железосвязывающий белок RTMP1. Именно этот белок управляет процессом минерализации, который превращает мягкие ткани в сверхпрочный материал. Исследователи изучали особи хитонов размером более 20 сантиметров, обитающие в приливных зонах Тихого океана недалеко от кампуса Калифорнийского университета.
Механизм формирования зубов начинается с доставки белков RTMP1 из окружающих тканей в незрелые зубы. Белки перемещаются по наноскопическим канальцам, называемым микроворсинками. Этот процесс обеспечивает точное поступление строительного материала в зону роста.
Оказавшись внутри зуба, белки RTMP1 связываются со структурным каркасом, состоящим из хитиновых нановолокон. Этот каркас действует как матрица, которая определяет конечную архитектуру и ориентацию минеральных компонентов зуба.
Одновременно с белками в зуб поступает железо из окружающих тканей. Оно прикрепляется к белку RTMP1, что запускает ключевой процесс. Эта связь инициирует накопление оксида железа и его последующую кристаллизацию.
В результате этого управляемого процесса формируются упорядоченные наностержни магнетита — магнитного минерала, который и придает зубам их знаменитую твердость. По мере созревания зубы хитона темнеют, что визуально отражает ход минерализации.
Присутствие белков RTMP1 у хитонов, обитающих в разных регионах, включая северо-западное побережье США и побережье Хоккайдо в Японии, указывает на явление, известное как «конвергентный биологический дизайн». Это означает, что разные виды независимо друг от друга выработали схожий механизм для управления отложением оксида железа.
Биологический процесс, который хитоны используют для создания своих зубов, происходит при комнатной температуре и с наноразмерной точностью. Это представляет собой модель для разработки более экологичных и устойчивых методов синтеза материалов, контрастирующую с энергозатратными промышленными технологиями.
Понимание этого природного механизма открывает перспективы для создания новых функциональных материалов. Знания могут быть применены для разработки более эффективных аккумуляторов, катализаторов для топливных элементов и полупроводников.
Особенно перспективным является применение этих принципов в аддитивном производстве, или 3D-печати. Способность хитона пространственно и временно контролировать синтез материала может вдохновить на создание новых подходов к послойному созданию сложных и высокопрочных структур. Этот моллюск, которого иногда называют «блуждающий мясной рулет», фактически содержит в себе чертежи для будущих технологий.
