Chitonų dantys: natūralios, itin kietos medžiagos paslaptys ir jų reikšmė medžiagų mokslui

Įvadas ir mokslinis pagrindas

Chitonai – nedideli, plokšti jūriniai moliuskai, dažnai nepastebimi uolėtų jūros krantų gyventojai. Apvertę chitoną, pamatysime unikalią savybę: eiles ypač kietų, blizgių dantų, kuriais gyvūnas gramdo dumblius ir detritą nuo akmenų. 2023 m. rugpjūčio 7 d. Science publikuotas tyrimas atskleidžia, kaip šie chitono dantys pasiekia mechanines savybes, prilygstančias, o kai kuriose srityse net pranokstančias dirbtines pjaunančias ar atsparias dėvėjimuisi medžiagas. Darbe susiejamos molekulinė biologija, mineralų chemija ir nanostruktūros, siekiant paaiškinti biologinį procesą, turintį tiesioginę reikšmę medžiagų mokslui bei tvariai gamybai.

Mechanizmas: baltymai, magnetitas ir valdomas geležies tiekimas

Mokslininkai stebėjo chitono specifinį baltymą RTMP1 per dantų formavimosi audinius ir parodė, kaip jis reguliuoja geležies kaupimą. RTMP1 keliauja mikroskopiniais kanalais nuo minkštų audinių iki kiekvieno danties paviršiaus, kur jungiasi su molekulinėmis struktūromis, šablonuojančiomis magnetito (Fe3O4) – geležies oksido, suteikiančio dantims kietumą – susidarymą. Kartu RTMP1 mobilizuoja geležį, laikomą feritine – ląsteliniame geležies sandėliavimo baltyme, išskirdama ją būtent ten ir tada, kai reikalinga magnetito sintezė. Šis suderintas laiko ir erdvės valdymas – biomineralizacija kambario temperatūroje ir nanoskalėje – leidžia formuotis itin kietoms, bet nuolat atsinaujinančioms dantų eilėms.

Pagrindinės sąvokos

• Biomineralizacija: procesas, kurio metu organizmai gyvų audinių valdymu formuoja mineralines struktūras.
• Magnetitas: geležies oksido mineralas (Fe3O4) su magnetinėmis savybėmis ir dideliu kietumu kai kuriose nanostruktūrose.
• Feritinas: baltymų kompleksas, kaupantis geležį ląstelėse ir reguliuotai ją atpalaiduojantis.

Tyrimo metodai ir lauko tyrimai

Tyrėjų komanda derino medžiagų mokslo vaizdinimo metodus (didelės raiškos mikroskopiją ir spektroskopiją) su molekuline biologija, siekiant nustatyti RTMP1 judėjimą ir funkciją. Tyrimui buvo naudojamos didesnių chitono rūšių, surinktų JAV šiaurės vakaruose bei Hokaido (Japonija) pakrantėse, atplaišos. Struktūrinės analizės ir biocheminių tyrimų integracija leido detaliai atkurti baltymo transporto, geležies atpalaidavimo ir mineralinio šablonavimo seką, kuri lemia dantų susidarymą. Šis tarpdisciplininis požiūris padėjo ne tik stebėti medžiagų savybes, bet ir atskleisti biologinę surinkimo programą, formuojančią šias struktūras.

Reikšmė medžiagų mokslui ir technologijoms

Tyrimo bendraautorius Davidas Kisailus pabrėžia: „Galime daug išmokti iš šių biologinių sprendimų ir procesų.“ Natūralus chitono procesas leidžia pasiekti išskirtinį dantų kietumą ir atsparumą dėvėjimuisi įprastoje temperatūroje, nenaudojant daug energijos ar nuodingų reagentų. Šios strategijos pritaikymas galėtų padėti sukurti laiko bei erdvės atžvilgiu valdomas inžinerinių medžiagų sintezės technologijas – pavyzdžiui, baterijų elektrodams, kuro elementų katalizatoriams, puslaidininkiams ar atsparioms dangoms. Tikslus biologinis nanomastelio struktūrų valdymas atveria galimybes pažangesnei 3D spausdinimo (priedų gamybos) technologijai ir aplinkai draugiškesniems sintezės būdams, naudojantiems mažiau energijos ir sukuriančiantiems mažiau pavojingų šalutinių produktų nei įprasti pramoniniai procesai.

Ekspertų požiūris ir ateities kryptys

RTMP1, kaip specifinio geležį surišančio ir magnetitą formuojančio baltymo, atradimas atveria naujas tyrimų kryptis: minimalių peptidinių struktūrų, inicijuojančių magnetito susidarymą, identifikavimą, kanalais grindžiamų geležies tiekimo sistemų imitavimą dirbtiniuose sluoksniuose bei feritino pagrindu veikiančių geležies sandėlių inžineriją kontroliuojamam atpalaidavimui. Jei pavyktų imituoti chitono baltymo ir geležies judėjimo „maršrutą“, galėtume gaminti sudėtingas, hierarchines medžiagas su pageidaujamomis savybėmis, nevartojant aukštos temperatūros.

Išvada

Chitonų dantys – daugiau nei biologinė įdomybė: tai gyvas kambario temperatūros nanoskalės gamybos pavyzdys, užtikrinantis išskirtines mechanines savybes. Nustatydamas RTMP1, feritino vaidmenį ir magnetito įtvirtintų dantų susidarymo etapus, naujas tyrimas pateikia aiškų planą bioįkvėpimo medžiagų tyrimams. Remiantis šiais principais galima sukurti tvaresnes kietų, atsparių dėvėjimuisi medžiagų gamybos technologijas, tinkamas pramoniniams pjautuvams, medicinos implantams, energijos įrenginiams ir kitoms reikmėms.