Уроки природы. Глаз дрозофилы показал,

как синтезировать многофункциональные нанопокрытия

Российские ученые с коллегами из Швейцарии провели междисциплинарные исследования наноструктур роговичной поверхности глаза плодовой мушки дрозофилы [1]. Авторы работы не только выяснили, как такие наноструктуры возникают в природе, но использовали полученные данные для разработки метода синтеза многофункциональных нанопокрытий.

Раньше российские ученые (в том числе авторы [1]) с помощью атомно-силовой микроскопии досконально изучили нанопокрытия роговицы многих образцов чешуекрылых (бабочек, мотыльков, моли), а также некоторых пауков, сороконожек, скорпионов [2]. Были обнаружены разнообразные наноструктуры из разупорядоченных и плотноупакованных бугорков, извилистых выступов (“лабиринтов”), плотных гребней, лунок и ряд промежуточных вариантов. Эти наноструктуры могут существенно подавлять отражение света, обеспечить защиту от пыли и от намокания. Самое замечательное – эти бионаноструктуры соответствуют полному набору узоров Тьюринга* (рис. 1), причем это первый пример обнаружения наноузоров.

В 1952 году Тьюринг предложил систему дифференциальных уравнений, описывающих механизм самоорганизации, который приводит к формированию повторяющихся элементов биологических, химических, физических структур. По модели Тьюринга происходит взаимодействие медленно диффундирующего активатора и быстро диффундирующего ингибитора (модель “реакция-диффузия”). Наглядные примеры узоров Тьюринга в природе на макроуровне – пятнистость и полосатость некоторых животных и рыб.

Плодовая мушка Drosophila melanogaster, точнее, поверхность роговицы ее глаза, – перспективный объект изучения механизмов “реакция-диффузия” в живых организмах. Эта мушка давно служит науке, в том числе для генетических экспериментов. Глаз дрозофилы представляет собой сложную структуру из почти тысячи структурных единиц омматидиев – вытянутых конусов, сходящихся вершинами в глубине глаза, с выпуклой шестигранной роговичной линзой на поверхности [3]. Результаты исследований с помощью атомно-силовой и электронной микроскопии [1,3] показали, что роговица покрыта прозрачными бугорками высотой ~ 30-40 нм и шириной ~ 250-300 нм (рис. 2). Такая наноструктура обеспечивает не только проникновение света (снижая почти до нуля его отражение), но и защиту от пыли и влаги. Да, у дрозофилы “соринку в глазу” не увидишь!

Авторы работы [1] провели свои исследования на плодовой мушке D. melanogaster, геном которой полностью расшифрован, а также на 13 дрозофилах другого типа. Целью было определить, есть ли у них в роговицах общие компоненты, которые могут действовать как активатор и ингибитор по механизму Тьюринга. Сначала ученые “разобрали” роговицу на базовые молекулярные составляющие, из которых формируется наноструктура ее поверхности (метод обратной биоинженерии), и продемонстрировали физическое и генетическое взаимодействие этих компонентов. Результаты математического моделирования соответствовали экспериментальным данным. У всех изученных дрозофил базовые “кирпичики” оказались одними и теми же – белок ретинин (активатор) и роговичные воски (ингибитор). При взаимодействии с воском исходно неструктурированный белок начинал сворачиваться, образуя глобулярную структуру (рис. 3).

Затем исследователи методом прямой биоинженерии, используя ретинин и воски, запустили самоорганизующийся процесс по механизму Тьюринга и “воссоздали” роговичные нанопокрытия на подложках из стекла и пластика. Использовали рекомбинантный белок ретинин, полученный от бактерий, и распространенные природные воски – пчелиный, шерстяной (ланолин), пальмовый (карнаубский). Отдельно ретинин, или воск, или контрольная смесь белков никаких покрытий не образовали.

Если нанопокрытия формируются по модели Тьюринга, то их структура и, соответственно, свойства, должны зависеть от количественного соотношения активатор-ингибитор в смеси. Действительно, эксперименты показали, что увеличение количества активатора (или уменьшение количества ингибитора) приводит к слиянию бугорков в гребни и снижению антиотражающих свойств, но повышению антиадгезионных. Второй важный параметр – характеристики ингибитора, то есть воска. Воски имеют разную вязкость и, соответственно, разные коэффициенты диффузии, что должно влиять на действие ингибитора. Это также было подтверждено экспериментально и расчетами.

Сочетание физического, генетического, биохимического подходов и математического моделирования позволило авторам [1] разработать метод синтеза разнообразных нанопокрытий. Некоторые примеры приведены на рис. 4. Использовали активатор ретинин и ингибиторы с разной вязкостью (ланолин с температурой плавления 38оС и карнаубский воск с температурой плавления 82оС). Наносили последовательно 2 слоя (на рис. 4 они обозначены римскими цифрами и знаком >). Нанопокрытия, полученные в соответствии с протоколом 1 и 2, имели антиотражающие свойства, с протоколом 3 и 4 – гидрофобные и гидрофильные, соответственно. При этом у структуры с более высокими бугорками (протокол 2) пропускание света оказалось больше.

Нанопокрытия стабильны, выдерживают длительное промывание. Их можно наносить на поверхности большого размера, любой конфигурации. Модифицируя генетически ретинин, подбирая воск, изменяя концентрации, можно получать покрытия с требуемыми свойствами (антиотражающими, антиадгезионными и др.). Сферы применения разнообразны – медицина, оптика, наноэлектроника, автомобильная и даже текстильная промышленности. Сейчас для получения наноструктурированных покрытий такого типа приходится использовать сложные и дорогие методы, часто вредные для людей и окружающей среды – химическое травление, литографию, лазерные технологии. Метод, на который ученым указал глаз дрозофилы, не требует специального оборудования и больших энергозатрат и использует биоразлагаемые материалы.

О. Алексеева

*_________

Алан Тьюринг (Alan Turing), 1912-1954, знаменитый британский математик, логик, криптограф (в годы Второй мировой войны расшифровывал немецкие радиограммы); “отец” современной информатики. В последние годы жизни интересовался также химией, биологией.

1. M.Kryuchkov et al., Nature 585, 383 (2020).

2. A.Blagodatski et al., PNAS 112, 10750 (2015).

3. В.Л.Катанаев и др., Успехи биохимии 51, 401 (2011).

Источник: vk.com

Комментарии: