«Мы изучили, что общего среди белков зубов кальмаров для всех изученных нами видов кальмаров», — сказал Абдон Пена-Франческ, аспирант в области инженерных наук и механики. «Мы наблюдали, какие свойства резко изменились для каждого набора белков».Хуэйхун Юнг, доктор философии Студент лабораторной группы Мелика Демиреля изучил четыре вида кальмаров со всего мира — гавайский бобтейл, длинноперый кальмар, европейский кальмар и японский летающий кальмар.«Было загадкой, почему природа использует более одного белка для создания кольцевых зубов у присосок», — сказал Демирель, профессор инженерных наук и механики. «Зачем нам понадобилось так много? Оказывается, каждый имеет разные механические свойства».
Белки в кольцевых зубах являются полукристаллическими, представляют собой комбинацию кристаллических и аморфных частей. Природные белки также имеют различные повторы, аминокислотные цепочки, которые повторяются один или несколько раз. Эти повторы изменяют длину белка.
Однако четкого понимания функции этих повторов не было известно.После секвенирования различных белков кальмаров исследователи собрали множество синтетических белков кольцевых зубов с различным количеством повторов. Они сообщают о своих результатах в текущем онлайн-выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Было проделано много работы по созданию структур, имитирующих белки», — сказал Демирель, который также является членом Института наук о жизни Хака. «Люди изучали структуру белков в шелке, эластин в коже, резилин в крыльях насекомых и коллаген в большом наборе структур, но никто не смотрел на кальмаров таким образом. Имитация кальмаров раньше не проводилась. "Вместе с Бенджамином Алленом, научным сотрудником в области биохимии и молекулярной биологии и Института Хака, группа Демиреля создала аминокислотные цепочки различной длины — полипептиды — и обнаружила, что в синтетическом материале прочность и растяжимость возрастают с увеличением молекулярной массы. Чем длиннее полипептидная цепь, тем больше молекулярная масса. Они также обнаружили, что баланс между эластичностью (насколько материал будет растягиваться без деформации) и пластичностью (точкой, в которой он будет деформироваться) остался неизменным.
«Мы можем контролировать, какие аминокислоты мы используем, поэтому мы можем контролировать молекулярный вес», — сказал Пена-Франческ. «Мы можем разработать каждый сегмент и посмотреть, какие основы механики применимы».Исследователи предполагают, что «повторения в нативных белках кальмаров могут иметь генетическое преимущество для увеличения прочности и гибкости».«Мы обнаружили, что самые короткие полипептидные цепи были хрупкими», — сказал Демирель. «По мере того, как они становятся длиннее, они становятся эластичными».Структурные свойства этого материала легко программируются.
Чрезвычайно эластичные материалы, такие как аморфная часть этих белков, поглощают энергию и используются в таких вещах, как автомобильные бамперы, в то время как кристаллическая часть действует как пружина и больше похожа на материал приборной панели автомобиля. Правильный баланс каждого из них может обеспечить желаемые характеристики материалов.Их строительные блоки, синтетические аминокислоты, производятся бактериями, поэтому сбор живых кальмаров больше не нужен.
Кроме того, синтетические материалы самовосстанавливаются, поэтому небольшие трещины и разрывы можно исправить. Демирель и его команда отмечают, что синтетическая имитация белков кольцевых зубов кальмаров может быть обработана для формирования различных трехмерных форм, включая ленты, литографические узоры и нанотрубки с широким спектром потенциальных применений.