С другой стороны, синтетические влажные клеящие материалы — это совсем другая история.Опираясь на мать-природу и химический состав белков стопы мидий, лаборатория Элисон Батлер в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре решила улучшить небольшую молекулу под названием сидерофор циклический трихризобактин (СТС), которую они ранее обнаружили. Они модифицировали молекулу, а затем проверили ее адгезионную прочность в водной среде.
Результат: состав, который по прочности не уступает клею для мидий.Их результаты опубликованы в журнале Science.
«Во многих средах, включая медицину, существует реальная потребность иметь клеи, которые работали бы в водной среде», — сказал соавтор Батлер, профессор кафедры химии и биохимии UCSB. «Итак, теперь у нас есть основа для того, что мы могли бы попытаться развить здесь».Также частью междисциплинарных усилий были Лаборатория межфазных наук Якоба Исраэлашвили в Департаменте химической инженерии UCSB и Дж. Герберт Уэйт, профессор кафедры молекулярной, клеточной биологии и биологии развития, чья собственная работа сосредоточена на влажной адгезии.«Мы просто случайно увидели визуальное сходство между соединениями в сидерофоре СТС и в белках копытных мидий», — пояснил Батлер.
Сидерофоры — это молекулы, которые связывают и переносят железо в таких микроорганизмах, как бактерии. «Мы специально рассмотрели синергизм между ролью аминокислоты лизина и катехола», — добавила она. «Оба они присутствуют в белках стопы мидий и в ЦКО».Белки копытной мидии содержат одинаковое количество лизина и катехоловой допы. Катехины — это химические соединения, используемые в таких биологических функциях, как нейротрансмиссия. Однако в некоторых белках допа используется в качестве адгезива.
Из бесед с Уэйтом Батлер понял, что СТС содержит не только лизин, но и соединение, подобное допа. Кроме того, СТС объединил свой катехол с лизином, как это делают белки лапки мидий.«Мы разработали лучшую и более стабильную молекулу, чем настоящий СТС», — пояснил Батлер. «Затем мы изменили его, чтобы выявить важность вклада лизина или катехола».Со-ведущий автор Грег Майер, аспирант лаборатории Батлера, создал шесть различных соединений с разным количеством лизина и катехола.
Лаборатория Израэлачвили проверила каждый состав на его поверхность и характеристики адгезии. Один из ведущих авторов Майкл Рапп использовал прибор для измерения поверхностных сил, разработанный в лаборатории, чтобы измерить взаимодействие между поверхностями слюды в физиологическом растворе.
Только два соединения, содержащие катионный амин, такой как лизин и катехол, продемонстрировали адгезионную прочность и уменьшенную толщину промежуточной пленки, которая измеряет количество двух поверхностей, которые могут быть сжаты вместе. Компаунды без катехола имели значительно пониженные уровни адгезии, но аналогичную уменьшенную толщину пленки.
Без лизина соединения не проявляли ни одной характеристики. «Наши тесты показали, что лизин играет ключевую роль, помогая удалить ионы соли с поверхности, чтобы клей мог попасть на нижележащую поверхность», — сказал Майер.«Посмотрев на другую биосистему, которая имеет характеристики, аналогичные характеристикам некоторых из наиболее эффективных клеев для мидий, мы смогли сделать вывод, что эти два небольших компонента работают вместе синергетически, создавая на поверхности благоприятную среду, способствующую сцеплению», — пояснил Рапп. аспирант химического машиностроения. «Наши результаты показывают, что эти две молекулярные группы не только грунтуют поверхность, но и работают вместе, чтобы создать лучший адгезив, который прилипает к поверхности».
«Вкратце, наше открытие состоит в том, что вам нужен лизин и катехол», — заключил Батлер. «Есть один-два удара: лизин очищает и грунтует поверхность, а катехол спускается вниз и водород связывается с поверхностью слюды. Это беспрецедентное понимание того, что должно происходить во время влажной адгезии».