Готовый перевод Janine M. Benyus. Biomimicry / Джанин М. Бенюс. Биомимикрия: Глава 4. Как мы будем делать вещи?

Подгонка формы под функцию: плести нити как паук.

Хотя разработчики экологической политики уделяют особое внимание растущему избытку мусора и загрязнению окружающей среды, большая часть ущерба окружающей среде наносится еще до того, как материалы попадают к потребителю. По данным исследователей, всего на четыре отрасли производства первичных материалов — бумажную, пластмассовую, химическую и металлургическую — приходится 71 процент токсичных выбросов с производств в Соединенных Штатах. На пять материалов — бумагу, сталь, алюминий, пластмассу и стеклянную тару — приходится 31 процент потребления энергии в обрабатывающей промышленности США.

— Джон Э. Янг и Аарон Сакс, авторы книги "Следующая революция в эффективности: создание устойчивой экономики материалов".

Мы находимся на пороге революции материалов, не менее важной, чем железный век и промышленная революция. Мы шагаем вперед, в новую эру материалов. Я думаю, что в течение следующего столетия биомимикрия значительно изменит наш образ жизни.
— Мехмет Сарикая, профессор материаловедения и инженерии, Вашингтонский университет

“Вот почему у младенцев мягкая голова”, - сказал мужчина, спускавшийся по эскалатору, в то время как я поднималась наверх. “Кости ещё не полностью минерализованы”. Головы младенцев? Я взбежала по эскалатору и догнала его на спуске. Он шёл туда же, куда и я.

Собрание Общества исследования материалов (MRS) проводится каждый год в центре Бостона, его участники заполняют три крупных отеля до отказа. Куда ни глянь, везде учёные — 3500 человек — несущие толстые сборники тезисов к семинару по материаловедению, области, о которой большинство из нас даже не слышали. Это странно, потому что материаловедение касается буквально всего, к чему прикасается наша рука; каждый предмет, по которому мы ходим, в котором ездим, который берем в руки, надеваем или наливаем, сделан из одного или нескольких материалов. Тем не менее, люди, которые беспокоятся о стойкости к разрушению, прочности при растяжении и химическом составе поверхности — керамисты и инженеры по стеклу, металлурги и исследователи полимеров, — остаются невоспетыми. Я не знаю ни одного ребёнка, который хотел бы стать материаловедом, когда вырастет.

Может быть, эта сфера просто ещё молодая. Раньше материалы производились исключительно природой, и мы брали что дают: дерево, шкуры, шелк, шерсть, кость и камень. В конце концов люди научились выплавлять из песка посуду и добывать железо из недр Земли. На протяжении всей истории наш прогресс как народа определялся типами материалов, которые мы использовали - Каменный век, Бронзовый век, Железный век, Век пластика, а нынешний век некоторые назвали бы Веком кремния. С каждым этапом развития цивилизации мы, кажется, все больше отдаляемся от живых материалов и от уроков, которые они нам преподают.

В ярком свете слайд-шоу, показанных на Симпозиуме S (во время сессии по материалам, идеи для которых заимствованы из природы), я начала понимать, что природа использует по крайней мере четыре хитрости в деле производства материалов:

1. Безопасные для живых организмов производственные процессы
2. Упорядоченная иерархия структур
3. Самосборка
4. Стабилизация кристаллов с помощью белков

Каждая из этих хитростей была в новинку для меня и, вероятно, для многих других участников конференции, которые постоянно заходили послушать доклад. Что отличает биомимиков от их коллег, так это принятие канона природы как эталона для работы. Если бы биомимики добились своего, этот канон стал бы основой образования каждого материаловеда. Но целое образование в одну главу не уместить, поэтому мы пройдем краткий курс.

Грейте, бейте и залейте

В гудящем улье конференции MRS одновременно проводятся сорок мини-совещаний - симпозиумов. На каждом из них новые результаты обобщаются в статьях, которые публикуются каждые пятнадцать минут в течение всей недели. Большинство бесед посвящено алхимии современности: синтезу новых сплавов, новой керамики, новых пластмасс, возможному благодаря невероятно высоким температурам, высокому давлению и агрессивной химической обработке. “Грейте, бейте и залейте” стало фактически лозунгом нашей индустриальной эпохи; так мы синтезируем практически всё.

Природа, с другой стороны, не может позволить себе такую стратегию. Жизнь не может разместить фабрику на окраине города; она должна жить там, где работает. Поэтому первая уловка природы заключается в том, что она производит материалы в безопасных для жизни условиях: в воде, при комнатной температуре, без агрессивных химических веществ или высокого давления.

Хотя мы назвали бы это “ограничениями”, природе удается создавать материалы такой сложности и функциональности, которым мы можем только позавидовать. Внутренняя оболочка моллюска морское ушко в два раза прочнее высокотехнологичной керамики. Паутинка в пять раз прочнее стальной нити того же веса. Клей для мидий работает под водой и прилипает к любой поверхности, даже без грунтовки. Рог носорога чинится сам собой, хотя в нем нет живых клеток. Кость, дерево, кожа, бивни, рога и сердечная мышца — все эти чудо-конструкции созданы для того, чтобы отслужить свой полезный срок, а затем снова исчезнуть, чтобы быть поглощенными другим видом живых организмов через великий цикл смерти и обновления.

Было забавно наблюдать, как толпящиеся ученые других специализаций просовывают головы в дверной проем аудитории Симпозиума S. Хотя обычно большинство залов на подобных собраниях наполнены разговорами о неземной синтетике, на Cимпозиуме S показывали слайды с изображением коралловых рифов и высоких деревьев, еловых болот и паутины, покрытой росой. Новейшие высокотехнологичные материалы здесь не были экспериментальными разработками — это были древние биологические изобретения, испытанные миллионами лет существования на Земле. На той самой Земле, на которой мы со своими изобретениями пытаемся жить.

Участники Симпозиума S не привязаны к мантре "грейте, бейте и залейте". Они видят очевидные проблемы: истощающиеся запасы нефти, ядовитые кошмары собственного изготовления, высокую интенсивность отказов (разламывание, растрескивание, деформация) многих наших материалов. Несмотря на колоссальные энергозатраты, мы все еще не можем производить материалы столь же тонко выделанные, долговечные или экологически безопасные, как в природе. Носороги, мидии и пауки на слайдах, казалось, прятали улыбку Моны Лизы. Каким-то образом из самых распространенных в мире химических веществ, таких как углерод, кальций, вода и фосфат, они создают самые сложные материалы в мире. Как сказал бы любой биомимик в аудитории, S в названии симпозиума означает "сюрприз".

Начнём грызть гранит науки

Доклады, представленные на этой неделе, разделились на две категории: преимущественно неорганические (твердые) и преимущественно органические (мягкие). Природные неорганические материалы прочны, они используются для построения скелета или защитной брони, панцирей, костей, шипов и зубов природного мира. Они представляют собой кристаллизованные версии земных материалов: мела и фосфатов, марганца и кремнезема, даже немного железа, добавленного для “остроты”. Поскольку организмы не производят эти неорганические минералы в своих телах, они должны найти способ приманить и приручить частицы Земли, чтобы они оседали и кристаллизовались в нужном месте. Например, если вы моллюск с мягким телом, живущий в приливно-отливной зоне, лучшее место для кристаллизации раковины - прямо над вашей головой.

Зависть к устрице

У Рича Гумберта есть гидрокостюм, который не очень хорошо греет. Хотя неопреновая маска надета на его бородатое лицо, нырять приходится надолго, и к тому времени, когда Рич всплывает подышать, открытая часть его лица становится похожа на маску грабителя, окрашенную в болезненный фиолетовый оттенок. Все это делает сбор абалонов на островах Сан-Хуан в штате Вашингтон непопулярным занятием.

“Большинство людей предпочитают покупать абалоны в сувенирных лавках”, - говорит он мне. “Но мне нравится общаться с ними, видеть, где они живут”. Он изображает для меня охоту. “Ты тянешься к ним сквозь мутную приливную воду, ощупывая руками. Внешняя оболочка тусклая и покрыта струпьями балянусов. Трудно поверить, что внутри есть гладкая переливающаяся перламутровая подкладка. Главное схватить сразу, как только прикоснетесь к ним, прежде чем они смогут присосаться к скале”.

Потревоженное морское ушко может быть дьявольски быстрым. Нога этого моллюска присасывается настолько крепко, что, если вы упустите момент, оторвать его от камня можно будет только монтировкой. Для таких энтузиастов, как Гумберт, монтировка - инструмент дилетанта, и он скорее доплавается до посинения, чем прибегнет к ней.

Большинство сборщиков морских ушек едят их мясо и продают раковины, но Гумберт ныряет и ищет, чему он может у них научиться. Он состоит в команде Вашингтонского университета, исследующей перламутр морского ушка, гладкое внутреннее покрытие, которое изысканно переливается разными цветами и, что важнее всего для керамистов, твердое, как гвозди. “Вы когда-нибудь пробовали прыгать на раковине морского ушка?” - спрашивает Гумберт. “По ним могла бы проехать машина, даже не побеспокоив их". По возвращении в лабораторию ему приходится запускать промышленное оборудование, чтобы разбить внешнюю оболочку и перламутр на куски. Одной раковины — красивого двадцатисантиметрового блюда — хватит на год исследований.

На невооружённый взгляд кусок перламутра, который вручает мне Гумберт, выглядит гладким и невыразительным. Затем он показывает мне снимок того же куска в поперечном сечении, сделанный под электронным микроскопом. Выделяющаяся жирным черно-белым рельефом сложная кристаллическая архитектура объясняет способность раковины справляться со стрессом. На виде сбоку заметны шестиугольные диски из карбоната кальция (мела), уложенные подобно кирпичной кладке.

Если вы внимательно всмотритесь в пространство между кирпичами, то сможете увидеть тонкую полоску раствора из мягкого полимера. Полимер ведёт себя как жевательная резинка — он растягивается, подобно связкам, когда диски раздвигаются, и скользит и выдавливается в ответ на сжатие. Если всё-таки возникает трещина, рисунок кирпичной стены заставляет её изгибаться, останавливая её продвижение. В результате “морское ушко в два раза прочнее любой известной нам керамики — вместо того, чтобы ломаться, как искусственная керамика, раковина под напряжением деформируется и ведет себя как металл”, говорит Мехмет Сарикая, чье имя фигурирует в титрах многих красивых снимков морского ушка под электронным микроскопом.

Снимки перламутра, сделанные сверху, демонстрируют еще большую сложность. На любом уровне кирпичной стены шестиугольные диски сдвоены: их формы и расположение перекликаются друг с другом, как будто между ними находится зеркало. Отдельные диски состоят из сдвоенных “доменов”, которые также отражают друг друга. Даже гранулы внутри каждой области имеют двойников, демонстрируя математическое повторение и красоту, которые характеризуют естественную форму.

Если вернуться ближе к телу, эту концепцию повторяющегося рисунка использует мягкий материал в наших собственных телах. Рисунок расщеплённого сухожилия (которому на симпозиуме уделили много экранного времени) показывает иерархию, которая почти невероятна в своей многоуровневой точности. Сухожилие в вашем предплечье представляет собой скрученный пучок волокон, похожих на тросы подвесного моста. Каждое волокно представляет из себя скрученный пучок более тонких волокон. Каждое из этих более тонких волокон представляет из себя скрученный пучок молекул, которые, конечно же, представляют из себя скрученные в спираль пучки атомов. Снова и снова раскрывается математическая красота, сам себя повторяющий фрактальный калейдоскоп инженерного великолепия.

В человеческом сухожилии, в раковине морского ушка, в слоистых, как фанера, крысиных зубах — снова и снова вопрос о “форме, дающей функцию” выходил на первый план обсуждения. Многоуровневая сложность этих материалов называется упорядоченной иерархической структурой, которая, по-видимому, является второй уловкой природы в распределении ресурсов. От атомного уровня до макроскопического заложена точность, а с ней приходят прочность и гибкость.

Но как природе удается создавать такую микроструктуру? И как мы можем сделать так же? Ответы на эти вопросы лежат в самом сердце идеи биомимикрии. “Мы хотим не просто копировать углы и архитектуру природных конструкций или создавать материалы по их образу и подобию”, - говорит керамист Пол Калверт из Лаборатории материалов Аризонского университета в Тусоне. “Что мы действительно хотим сделать, так это имитировать производственный процесс, то есть то, как организмам удается выращивать, например, идеальные кристаллы и формировать из них работающие структуры”.

Все ученые-материаловеды, с которыми я беседовала, согласились с мнением Калверта. Им не терпелось начать выращивать решетки с упорядоченностью не хуже, чем на параде, научиться контролировать размер кристаллов, их форму, ориентацию и расположение, особенно при производстве керамики.

Керамика, с которой мы лучше всего знакомы, - это стекло, фарфор, бетон, строительный раствор, кирпичи и штукатурка, но, как говорит Пол Калверт, “керамика вышла далеко за рамки туалетных принадлежностей и тарелок для хлопьев”. В настоящее время эти материалы используются во многих высокотехнологических областях - в качестве изоляторов, направляющих, подшипников, износостойких и термостойких покрытий, а также в устройствах, которым требуются определенные оптические, электрические и даже химические характеристики, такие как чувствительность к газам или способность ускорять химические реакции. Несмотря на все требования, которые мы предъявляем к керамикам, ирония заключается в том, что мы всё ещё используем технологии каменного века для их изготовления. По сути, мы берем неорганические вещества из земных недр и подвергаем их нагреванию или давлению, чтобы сжать их в твердое вещество. Калверт объясняет: “Наша самая большая проблема — это растрескивание, то есть хрупкость. В последние годы мы постепенно добиваемся прогресса, делая структурные зёрна все более и более мелкими. В конце концов мы сократили их размер до нанометра, но проблема хрупкости не исчезла".

Несколько лет назад Калверт решил, что пришло время включить воображение, поэтому вместе с другими биомимиками он начал изучать дизайн природных материалов. Они обнаружили множество биологических организмов, которые, подобно морскому ушку, имеют твердые части тела, изготовленные из смеси неорганических минералов и органических полимеров. Например, ваши кости - это кристаллы фосфата кальция, осажденные на белковой матрице. Диатомовые водоросли — эти микроскопические морские существа, похожие на живые снежинки, — растят скелет из кварцевого стекла, задавая его форму с помощью клеточной мембраны. Зубы - тоже неорганические кристаллы, как и шипы морских ежей и раковины улиток. Сверхтвердые кристаллы в “зубах” миноги позволяют ей проскребать даже камень. Природа способна использовать в процессе минерализации даже некоторые магнитные материалы. Например, в конце семидесятых годов была обнаружена бактерия, которая выращивает кристаллы оксида железа — магнетита — в крошечных пузырьках (шариках) внутри своего тела. Эти заполненные магнетитом пузырьки выстраиваются в линию, как бусины на нитке, и в таком виде помогают бактериям чувствовать, направление к магнитному центру Земли, то есть вниз, а на дне водоёмов как раз находится анаэробная зона, где бактерии находят себе пищу.

Во всех этих случаях природные кристаллы изящнее, плотнее упакованы, имеют более сложную структуру и лучше соответствуют своим функциям, чем наша керамика и металлы. Биомимики решили, что пришло время выяснить почему.

Жемчужины мудрости

Чтобы понять, как организмы исполняют этот трюк, стоит начать с мягкой части композитных материалов. Для этого мы должны перейти на молекулярный уровень — уровень меньший, чем разрешение электронного микроскопа Сарикаи. “Этот тонкий слой полимера - не просто раствор, склеивающий кирпичи”, - говорит Рич Гумберт. “Он сделан из полисахаридов (по сути, сахаров) и белков, и именно они - настоящие звёзды этого представления". В самом деле, когда морское ушко “решает” построить перламутр, сначала возводится полимерный каркас, а затем укладываются кирпичи.

Это неоднозначное разделение процессов происходит при биоминерализации во многих организмах. Сначала клетки организма выделяют белки, полисахариды или липиды (в зависимости от вида) в окружающую их среду. Эти “каркасные” полимеры самоорганизуются в трехмерные отсеки (кубы, прямоугольники, сферы или трубки), которые разграничивают пространство для будущей минерализации. “Вы представить каркасные полимеры как стены, потолок и пол помещений, которые в конечном итоге будут заполнены минеральными кристаллами”, - говорит Гумберт. В случае с морским ушком организм строит не одну комнату, а целый многоквартирный дом, возводя один этаж за другим. Каждый этаж состоит из множества комнат и немного смещён относительно предыдущего, что создаёт перекрывающийся мотив по типу кирпичной стены.

Внутри каждой комнаты находится морская вода, насыщенная ионами кальция и карбоната — заряженными частицами, которые в конечном итоге осаждаются и нарастают, пока не образуют кристалл карбоната кальция (мела). Поскольку ионы заряжены, они не просто случайным образом выпадают в осадок из раствора — они притягиваются к противоположно заряженным химическим группам, выступающим из стен комнат. Как только первый слой ионов оседает, он подает пример остальной части кристалла. Как частицы примесей в экспериментах с переохлаждённой водой, первые ионы будут центрами кристаллизации, а остальные ионы осядут вокруг них, образуя кристалл определенной формы. Поскольку прочность и функция кристалла зависят от его формы, места посадки ионов очень важны.

Этот моллюск, эволюционно" стремившийся" к раковине титанической прочности, нашел оригинальный способ придать этим ионам особенно прочную форму. Вот как это происходит: после того, как каркас комнат собран, моллюск выделяет шаблонные белки во внутренние помещения. Эти белки самоорганизуются в “обои”, которые украшают комнату упорядоченным набором отрицательно заряженных посадочных площадок. Если бы мы были размером с атомы, мы могли бы ходить среди этих химических групп и чувствовать их электростатическое поле, вытягивающее из морской воды положительно заряженные ионы, такие как кальций.

Чтобы представить, как располагаются белки на этих обоях, необходим краткий урок биологии. Белки (которые составляют 50 процентов сухого веса живой клетки) представляют собой большие трехмерные молекулы, в основе которых лежат длинные цепочки из десятков или даже сотен химических групп - аминокислот. Каждая аминокислота обладает своим набором зарядов, и когда цепочка попадает во внутриклеточную жидкость, эти заряды определяют, в какую форму она свернётся.

Схема сворачивания сильно зависит от того, как аминокислоты относятся к воде. Нейтральные, водобоязненные аминокислоты будут проникать в центр белкового комплекса, в то время как заряженные, любящие воду, будут находиться на периферии. Аминокислоты также взаимодействуют друг с другом: некоторые отталкивают своих соседей и стремятся убежать, другие связываются. В результате получается трехмерная форма, подстроенная под свою функцию. Белок может играть структурную роль в тканях и скелете, или у него может быть другая “профессия”. Гемоглобин, инсулин, рецепторы нейронов, антитела и ферменты (которые контролируют и ускоряют химические реакции) - все эти белки выполняют определенную работу, основанную на их форме.

У шаблонных белков морского ушка белковая цепочка свёрнута в зигзагообразную форму, которая соединяется вплотную с другими зигзагообразными белками, образуя складчатый лист в виде гармошки (обои). У этого листа есть две поверхности — некоторые группы аминокислот торчат внутрь комнаты, в то время как другие встроены в стены, пол и потолок, как якоря. Дэниел Морс, директор Центра морской биотехнологии Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, установил, что группы в стенах нейтральны (в основном глицин и аланин), а группы, торчащие внутрь комнаты, заряжены отрицательно (в основном аспартат).

Расположение посадочных мест на складках тоже не случайно. Поскольку зигзагообразные белки в точности повторяют друг друга по шаблону, заданному ДНК, его поверхностные аминокислоты предсказуемо повторяются. Они расположены с промежутками в несколько нанометров и готовы ловить из раствора противоположно заряженные ионы.

Расположение ионов в этом первом слое предопределяет форму и функцию будущего кристалла. Один рисунок может дать ромбоэдрические кристаллы, как в перламутре; другой даст призматические кристаллы, как в твердой внешней оболочке морского ушка. Различные формы, направления роста и размеры определяют, будет ли кристалл обладать оптическими свойствами, способен ли он проводить электричество, будет он твердым или мягким. При этом в природе существует всего четырнадцать возможных форм кристаллов.

А что, если бы мы смогли создать шаблон для любого из этих четырнадцати видов кристаллов, используя разных "мастеров" от мира белков? Что, если бы мы могли покрыть объект белковой пленкой, а затем окунуть его в морскую воду и запустить самосборку твёрдой оболочки из перламутра. Это только мечта, но один факт может сделать её былью: белкам не обязательно находиться в живой клетке, чтобы выполнять свою работу.

Белок, отделенный от живой клетки, всё ещё остаётся белком, полностью заряженным и способным направлять кристаллизацию. На самом деле, и морское ушко выкачивает белки из клеток в заполненный морской водой промежуток между мягким телом и более твердой внешней оболочкой. Теоретически это означает, что мы можем наполнить стакан белками и морской водой и наблюдать, как белки самоорганизуются в комнаты и обои, а ионы осаждаются и начинают превращаться в кристаллы.

Таким образом, самосборка - это третий трюк природы в материалообороте. В то время как мы тратим много энергии на создание вещей сверху вниз — берем сыпучие материалы и придаем им форму, — природа поступает наоборот. Она выращивает свои материалы с нуля, не сооружает структуры, а управляет их самосборкой.

Самосборка управляет этим буйством физики. Подобное отталкивается от подобного, что классические, что квантовые заряды, - а противоположности притягиваются. Слабые электростатические связи осторожно удерживают молекулы вместе, их легко можно подправлять и подгонять под изменяющиеся условия. Более прочные, устойчивые связи образуются с помощью катализаторов типа "ключ-замок" - ферментов.

Однако для образования любой из этих связей блуждающие молекулы должны сначала встретиться, как гости на коктейльной вечеринке. Перемешивание молекул поддерживается энергией броуновского движения, которое названо в честь Роберта Броуна, ботаника начала девятнадцатого века. Броун спросил мир: “Вы когда-нибудь замечали, что пыльцевые зерна остаются в толще воды и не осаждаются?” (В те дни подобное наблюдение могло сделать вас знаменитым.) Поколение спустя Альберт Эйнштейн объяснил, что пыльцевые зерна поддерживаются на плаву оттого, что невидимые молекулы воды постоянно сталкиваются с ними и перемещают их. Эти беспокойные лобовые столкновения молекул происходят и в воздухе, поэтому частицы пыли "танцуют" в солнечных лучах.

Как только молекулы сталкиваются, те, которые подходят друг к другу выемками и выступами, как кубики Lego, послушно соединяются друг с другом. Вся эта сборка, в отличие от нашего производства вещей, идёт сверху вниз по энергетическому ландшафту. Выгода даром. Белки подходят для такого рода самосборки благодаря своей форме и “электрическим" свойствам (тому, как распределяются их заряды). Эти качества в точности задаются генами — шаблонами с кодом для создания белков. Как только эти шаблонные белки самоорганизуются в листы-гармошки, они сами становятся шаблонами для изготовления изящных оболочек. Шаблонное становится шаблоном.

Что и приводит к четвертому трюку природы — возможности задавать структуру материалов с помощью шаблонов. В промышленной химии в качестве конечного продукта мы получаем мешанину полимерных цепочек разных размеров, большинство из которых слишком длинные или слишком короткие для идеального использования. Природа же создает только то, что она хочет, где она хочет и когда она хочет. Никаких опилок на полу в мастерской.

Если мы хотим перенять у природы методы производства, мы должны проникнуть за кулисы и взять интервью у белков, тех шаблонистов, которые делают возможной точную сборку продукта при комнатной температуре. Мы должны изучить их аминокислотные последовательности и выяснить, как производить их в коммерческих количествах. Биомимики надеются, что с помощью этих “невидимых рук” мы сможем ваять предметы с геометрической точностью и покончим с “грейте, бейте и залейте”.

Великая охота на белковые последовательности

Глаза Мехмета Сарикая цвета турецкого кофе предупредительно оглядывают каждого члена команды биомимиков. “Прежде чем что-либо предпринимать, мы должны определить последовательность белка”. Он буквально сгорает от нетерпения, полный решимости быть частью первой научной группы, которая отсеквенирует этот белок. “Мы не единственная лаборатория, работающая над этим, - признается он мне во время напряженной встречи за ланчем, - но мы единственные, кто находится на правильном пути”. Он описывает эту конкуренцию как бешеную гонку за пробиркой, полной самых настоящих белков-каркасов и белков-обоев, и Сарикая, толкаясь локтями, стремится к финишу. Я на мгновение представляю, как он пересекает финишную черту и переименовывает биомеханику в биомехметику. Позже, когда я рассказываю это шутку кому-то из его команды, они говорят, что уверены, что он уже это предлагал.

А пока Сарикая вышел на тропу войны, потому что почувствовал, что команда зашла в тупик. Я присутствую на подготовительном совещании к предстоящей научной конференции, на которой члены команды представят свою работу. Рич Гумберт, дайвер и исследователь морских ушек, показывает фотографии своих последних экспериментов. На данный момент Гумберту удалось получить случайную смесь белков морского ушка и сформировать “искусственный жемчуг” на стенке пробирки. На большом увеличении и в разрезе в такой жемчужине можно рассмотреть белок (окрашенный в оранжевый цвет), собранный в круглые слои. Эта многослойная конфета-зубодробилка не обладает изысканной архитектурой с кирпичиками и раствором, как у настоящего перламутра, но, по крайней мере, белок в ней выполняет свою управляющую роль. Этот результат заставил Гумберта глубоко задуматься об эволюции того, как образуется перламутр, и он хотел бы написать об этом статью. Сарикаю беспокоит то, сколько времени это займет.

Он хочет, чтобы Гумберт нашел белки морского ушка, ответственные за кристаллизацию, чтобы команда могла прикрепить их к поверхности предмета, окунуть украшенный предмет в морскую воду, а затем наблюдать за образованием перламутра. Чем скорее, тем лучше. Военные тоже заинтересованы в более прочных покрытиях, потому что они, как и морское ушко, часто находятся в опасных для здоровья и жизни зонах, где устойчивость к растрескиванию была бы полезна. Поэтому Управление военно-морских исследований выделило команде трехлетний грант на изучение раковины морского ушка и исследование “слоистых наноструктур”, т.е. композитных полимеров.

Команда Вашингтонского университета удивительно междисциплинарна, и именно здесь я вижу будущее биомимикрии. Инженеры и материаловеды работают бок о бок с микробиологами, специалистами по белкам, генетиками и мыслителями в стиле эпохи Возрождения, такими как Клемент Ферлонг.

Если и есть противовес предприимчивости Сарикайи, так это непринуждённость и терпение Клема Ферлонга. Ферлонг - научный руководитель Рича Гумберта и руководитель своего отдела медицинской генетики. Глубоко в лабиринте огромного здания я нахожу его втиснутым в офис, который грозит рухнуть на него со всех сторон. Бумаги сложены стопками на картотечных шкафах прямо до высоких потолков. Столы завалены журналами по полудюжине дисциплин и компьютерами в разных стадиях разборки, их начинка свисает, как покрывало. Ферлонг и его ученики только на этой неделе собрали пять компьютеров из деталей, заказанных по почте, и он определённо рад тому, как легко можно собрать "феррари" от мира профессиональных компьютеров. Он находит лист чистой бумаги (непростая задача в этом офисе) и пишет для меня список запчастей с точными ценами, по памяти, будто рецепт своей любимой закуски. Я подозреваю, что для Ферлонга наука - это способ получать деньги за возню с механизмами.

Где-то в этих стопках, — он указывает на пыльный район возле потолочных панелей, - лежат патенты на изобретения Ферлонга. У него также солидный послужной список — множество работ по медицинской генетике, — но, похоже, больше всего он гордится приборами, которые собрал. Новое изобретение Ферлонга действительно может сильно помочь учёным разгадать раковину морского ушка.

“Как только мы отсеквенируем белок, - говорит он, - нам нужно будет найти способ производить его в больших количествах. Мы не можем и дальше крошить ракушки”. Помимо риска чрезмерного сбора морских ушек, измельчение плохо сказывается на белках: оно их либо укорачивает, либо разрушает.

Альтернативой было бы заставить старые добрые бактерии E. coli (живущие в кишечнике человека) производить эти белки для нас. Это был бы не первый случай изпользования бактерий для производства продуктов. На протяжении тысячелетий мы использовали дрожжи, бактерии и плесени для варки пива, изготовления вина, разрыхления теста и культивирования сыра. Сегодня бактерии, выращенные в чанах, используются для производства пищевых добавок, антибиотиков, промышленных химикатов, витаминов и многого другого. Мы разводили крошечных микробов, как домашний скот, изменяя их с помощью искусственного отбора.

Однако есть разница между этой биообработкой и её современной версией, называемой биотехнологией. С помощью биотехнологии мы генетически изменяем производственные процессы внутри бактерии, внедряя в неё ген другого вида. Например, чтобы произвести инсулин, мы берем человеческий ген для производства инсулина и встраиваем его в кишечную палочку. Генные инженеры уверяют, что, разрезая и сращивая ДНК, они просто имитируют технологию, которую давно практикуют сами бактерии. Гены одного вида бактерий свободно передаются совершенно другим видам бактерий. Вот как глобальный микрокосм мог так быстро адаптироваться к катастрофическим изменениям. Но человеческие гены в бактериях? Гены морского ушка в бактериях?

Независимо от того, сколько раз я слышу научные заверения в безопасности, я не могу избавиться от ощущения, что это верх человеческого высокомерия - пересекать межтаксономическую черту, брать ген у одного класса животных и вставлять его в другой. Я говорю им, что мне было бы спокойнее, если бы мы могли культивировать целые клетки морского ушка в чане и "доить" белок из этих клеток. По многим причинам, говорят мне, это пока что практически невозможно.

Итак, я остаюсь перед дилеммой, которая часто возникала при изучении этой книги. Мой искренний страх перед генной инженерией уравновешивается моим искренним желанием найти менее жёсткие способы производства. Навострив уши и насторожившись, я узнала все, что могла, об этой технике, всё время надеясь, что проблемы с культивированием клеток скоро разрешатся.

Как только белок будет секвенирован (скоро, говорит Гумберт), будет пройдено полпути к нанесению перламутрового покрытия. Зная состав белка, члены команды будут использовать машину для синтеза сегмента ДНК, который является рецептом-шаблоном “как сделать перламутровый белок”. Они введут эту ДНК в кишечную палочку и будут надеяться на лучшее. Если повезет, кишечная палочка будет следовать закодированным инструкциям и использовать свой собственный клеточный механизм для производства белков по заказу. По сути, это будет фермерское хозяйство, где бактерии, как дойные коровы, производят непрерывный поток белков, необходимых для изготовления керамики.

Вот где пригодится новейшее устройство Клема Ферлонга. Биореактор Ферлонга предоставит жильё кишечной палочке и обеспечит ее пищей, водой и воздухом, автоматизируя таким образом производство белков. Прототип биореактора выглядит как маленькая обувная коробка со стеклянными стенками. Десять или двенадцать прозрачных перегородок разделяют коробку на ломтики пространства. На каждой стеклянной перегородке находятся тысячи, миллионы обездвиженных кишечных палочек, способных качественно вырабатывать один белок за другим. Их обволакивает поток жидких питательных веществ, а со дна к поверхности бегут пузырики кислорода.

Как объясняет Ферлонг, “тот же поток, который несет питательные вещества, на другом конце коробки вымывает и уносит произведённый белок. Этот белок — назовем его протеином А — перельется в мензурку. Но допустим, вы хотели получить сборку из двух белков. Вы могли бы сконструировать один штамм кишечной палочки для производства белка А, другой - для производства белка В, а затем поместить их в пропорции пятьдесят на пятьдесят на предметных стеклах. Затем белки А и В перетекают в раствор, находят друг друга и самособираются в мензурке. Хотите другую комбинацию белков? Вставьте в "фабрику" слайд с другими бактериями”.

Белки могут быть любыми, какие только может вообразить биомимик — белки, которые образуют зародыши еще более твердого покрытия, чем у морского ушка, или, возможно, тонкую пленку кристаллов с электрическими или оптическими свойствами. Пока Ферлонг мечтает о том, как мы могли бы использовать биореактор, Гумберт и компания пытаются найти белки морского ушка, которые надо будет размножить.

Рич Гумберт описывает стратегию идентификации белка, секвенирования и клонирования так же просто, как объяснял бы рецепт жаркого. Сначала вы извлекаете смесь белков из промежуточных слоев перламутра и пытаетесь отделить и идентифицировать как можно больше белков. Большинство из них оказываются нерастворимыми (они не остаются в растворе), и поэтому они скапливаются на дне флакона и не могут быть определены отдельно. Те, которые всё же растворяются в уксусной кислоте, - это всё что остаётся для работы; чтобы разделить их, надо сначала прогнать их через наэлектризованный гель.

При подготовке к этому гелевому электрофорезу к белкам добавляют детергент, который нейтрализует их заряды и выравнивает их форму. Затем эти омыленные белки наливают поверх слоя полимерного геля и щёлкают переключатель, посылая электрический заряд через гель. После этого белки начинают просачиваться сквозь гель, двигаясь с разной скоростью в зависимости от того, насколько они тяжелые (чем они легче, тем быстрее). Через некоторое время вы увидите множество полосок в тех местах, где в геле осели белки.

Каждая полоса относится к отдельному белку. Эти полосы переносят на специальную мембрану, буквально вырезают из неё кусочки с очищенными белками или их фрагментами и помещают их в отдельные флаконы. Затем вы берете каждый флакон и применяете к белкам ещё один лабораторный метод - секвенирование. Используя ферменты, специально разработанные для отщепления от белка одной аминокислоты за раз, можно определить аминокислотную последовательность в каждом белке. Затем вы поздравляете себя, делаете глубокий вдох и готовите следующую чашку кофе, потому что работы предстоит ещё много.

Рыбалка на шаблоны

Одним из ключевых открытий в молекулярной биологии стала процедура, которая позволяет ученым найти ген или часть гена, которые отвечают за выработку определенного белка. Подобно участникам игры "Jeopardy!", охотники за генами ищут вопросы на задаваемые ответы. Им дается ответ — белок — и они должны найти вопрос, который породил бы этот ответ.

Этот вопрос — код для белка — представляет собой тщательно сконструированный сегмент ДНК, находящийся в клетках морского ушка. Чтобы найти эту конкретную нуклеиновую кислоту в огромном геноме морского ушка, нужно сделать зонд - кусочек ДНК, который будет соответствовать искомой ДНК и прилипнет к ней.

Вы можете создать ДНК-зонд с нуля, используя машину, которая автоматически связывает воедино определенные последовательности нуклеотидных оснований, субъединиц ДНК. Вы просто набираете A (аденин), T (тимин), G (гуанин) или C (цитозин), и машина капает основание из флакона и приваривает его к концу растущей нити олигонуклеотида. (Что меня поражает, так это знание учёных, какие буквы набрать для кодирования конкретного белка. Они знают это, объясняет Гумберт, потому что им известен код ДНК, представляющий каждую из двадцати общих природных аминокислот, которые встречаются во всех живых организмах. Этот генетический код, одно из поистине удивительных открытий нашего времени, достаточно прост, чтобы уместиться в таблице 10 на 10 см. В большинстве лабораторий эта таблица приклеена скотчем прямо к аппарату для синтеза зондов.) Используя другие соблазнительно простые методы генной инженерии, можно создать миллионы копий этого зонда. После этого вы готовы отправиться на рыбалку.

Другая часть процесса заключается в создании пула (набора) сегментов комплементарной ДНК (кДНК), полученной из морского ушка. Этот процесс называется созданием библиотеки кДНК. В одном из крупных научных магазинов вы заказываете набор, который, по сути, берет ткань морского ушка и на основе матричной РНК из его клеток строит комплементарную ей ДНК. Затем вы отправляетесь ловить рыбу в этом бассейне кДНК и рыбачите до тех пор, пока ваш ДНК-зонд не найдет комплементарную нить и не прилипнет к ней.

Прилипание возможно благодаря комплементарности. То есть, если у вас есть основание A на вашей нити ДНК, оно всегда будет подходить к основанию T на кДНК, C всегда будет связываться с G, и наоборот. Скорее всего, ваш относительно маленький рыболовный зонд зацепит гораздо больший сегмент кДНК, тем самым привлекая внимание ко всему гену — тому, который содержит инструкции по получению белка из раковины морского ушка. Если всё это сработает, вы выловите этот ген морского ушка, убедите кишечную палочку принять его и скрестите пальцы в надежде, что она экспрессирует (то есть построит) для вас этот белок.

Чтобы выяснить, согласилась ли кишечная палочка сотрудничать, вам нужен какой-то способ увидеть, какие колонии (из тысяч, разбросанных по чашкам Петри) продуцируют белок морского ушка. Лучший способ сделать это - снова отправиться на рыбалку с другим биологическим зондом, на этот раз с молекулой, которая превосходно распознает белки - антителом. Наша иммунная система вырабатывает антитела миллионами, когда в нас вторгается чужеродная молекула. Эта пехота иммунных войск распознаёт инородный объект по его форме, затем накапливается и мешает его функционированию. Гумберту и компании нужны антитела, которые будут связываться с белками раковины в чашке с E. coli. Для этого трюка они достают из шляпы кролика.

После того, как Гумберт очистит белок моллюска от перламутра, он вколет небольшое количество этого белка кролику. Иммунная система кролика, непривычная к белкам моллюсков, воспримет их как чужеродные и создаст антитела, соответствующие им по форме. Затем Гумберт извлечет эти антитела из крови кролика и модифицирует их. Таким образом, когда они в следующий раз присоединятся к белку, это присоединение вызовет эффект, который Гумберт сможет обнаружить с помощью своих инструментов. Помеченные таким образом антитела затем распределяют по чашкам E. coli, и если где-нибудь на тарелке есть белки морского ушка, антитела направятся к ним и прилипнут. Используя инструменты для определения “попадания”, Гумберт может затем вырезать из среды те колонии E. coli, которые экспрессируют белок моллюска, и позволить им размножаться сколько душе угодно. Они и их потомство станут новыми жильцами домика у моря — биореактора Клема Ферлонга.

Но что произойдет, когда мы все-таки найдем способ производить белки морского ушка в полном объеме? Будут ли кристаллы расти так же хорошо, как у морского ушка? Сможем ли мы использовать немного другие белки и производить немного другие кристаллы, изготовленные на заказ? На эти вопросы можно ответить, только попробовав: выделив белки или их аналоги и позволив им растить кристаллы.

Выращивание кристаллов по методу природы

Гален Стаки из химического департамента и Дэниел Морс из департамента молекулярной, клеточной биологии и биологии развития Калифорнийского университета в Санта-Барбаре уже узнали достаточно информации о белках морского ушка и движутся дальше. Как и команда из Вашингтона, им было трудно преодолеть рубеж нерастворимых белков, которые скапливаются на дне стакана вместо того, чтобы плавать в воде. Даже те, которые можно было растворить, редко раскрывали свою полную аминокислотную последовательность. Вместо того, чтобы ждать полной последовательности, Стаки и Морс решили положиться на одну важную подсказку, которая постоянно попадалась им на глаза: преобладание кислых аминокислотных групп во всех белках, которые они смогли проанализировать. Они создали простую цепочку кислых аминокислот в качестве замены настоящему белку.

Внимание! Этот перевод, возможно, ещё не готов.
Его статус: идёт перевод

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/83764/527521

Переводчики: wild_wolf