Unikalios chitono dantų struktūros: įkvėpimas naujiems tvariems medžiagų mokslams

Įžanga ir mokslinis pagrindas

Chitonai – tai maži, plokšti jūriniai moliuskai, dažnai nepastebimi uolėtose pakrantėse. Apvertus chitono kūną, pasimato stulbinanti savybė: eilės itin kietų, blizgių dantų, kuriais gyvūnas gramdo dumblius ir nuosėdas nuo akmenų. 2023 m. rugpjūčio 7 d. žurnale „Science“ publikuotame tyrime analizuojama, kaip chitono dantys įgyja mechanines savybes, prilygstančias ar net viršijančias dirbtinėms pjovimo ir atsparumo dilimui medžiagoms. Tyrimas susieja molekulinę biologiją, mineralinę chemiją bei nanostruktūrų analizę, taip paaiškindamas biologinį procesą, kuris yra ypač reikšmingas medžiagų mokslui ir tvariai gamybai.

Mechanizmas: baltymai, magnetitas ir kontroliuojamas geležies tiekimas

Mokslininkai nustatė chitono specifinį baltymą RTMP1, kuris dalyvauja dantų formavimo audiniuose ir valdo geležies nusodinimą. RTMP1 keliauja nanometriniais kanalais nuo minkštųjų audinių iki kiekvieno danties paviršiaus, kur susijungia su molekuliniais komponentais, formuojančiais magnetitą (Fe3O4) – būtent šis geležies oksidas suteikia dantims ypatingą kietumą. Tuo pačiu metu RTMP1 mobilizuoja ferritine saugomą geležį, išlaisvindamas ją būtent tada ir ten, kur vyksta magnetito formavimas. Šis tikslus laiko ir erdvės valdymas – biomineralizacija kambario temperatūroje su nanometriniu tikslumu – leidžia augti eilėms itin kietų dantų, kurie nuolat atsinaujina dėvėjantis.

Pagrindinės sąvokos

• Biomineralizacija: procesas, kurio metu organizmai valdomai formuoja mineralizuotas struktūras.
• Magnetitas: geležies oksido mineralas (Fe3O4), turintis magnetinių savybių ir didelį kietumą tam tikrose nanostruktūrose.
• Ferritinas: baltymų kompleksas, kaupiantis geležį ląstelėse ir reguliuotai ją išskiriantis.

Tyrimo metodai ir laukinių mėginių analizė

Mokslininkų komanda taikė medžiagų mokslo vaizdinimo (aukštos raiškos mikroskopiją ir spektroskopiją) bei molekulinės biologijos metodus, kad išsamiai stebėtų RTMP1 judėjimą ir funkciją. Pavyzdžiai buvo surinkti nuo didesnių chitono rūšių JAV šiaurės vakarų pakrantėje ir Hokaido salos Japonijoje. Sujungus struktūrinę analizę su biocheminiais testais, tyrimo dalyviai atkūrė baltymų transporto, geležies išlaisvinimo ir mineralų formavimo seką, kuri lemia dantų susidarymą. Daugiadisciplininis metodas suteikė galimybę ne tik fiksuoti medžiagų savybes, bet ir atskleisti, kaip šios savybės susidaro gamtoje.

Reikšmė medžiagų mokslui ir technologijoms

Straipsnio bendraautorius Davidas Kisailus pabrėžė biologiškai įkvėptos inžinerijos galimybes: „Galime daug išmokti iš gamtoje egzistuojančių dizainų ir procesų.” Natūralus chitono dantų formavimas vyksta kambario temperatūroje, be energijai imlios metalo lydymo ar toksiškų reagentų. Mokslininkų išvados gali padėti sukurti erdviškai ir laike valdomus inžinerinių medžiagų sintezės metodus – pavyzdžiui, pažangiems akumuliatoriams, kuro elementams, puslaidininkiams, dilimui atsparioms dangoms. Toks tikslaus nanometrinio mineralų architektūros valdymas neabejotinai taps pagrindu pažangesnei priedų gamybai (3D spausdinimui) ir ekologiškesniems sintezės būdams, mažinantiems energijos suvartojimą bei pavojingų atliekų kiekį palyginti su įprastiniais pramoniniais procesais.

Ekspertų požiūris ir ateities kryptys

RTMP1 atradimas kaip specializuoto geležies prijungimo ir magnetito formavimo baltymo atvėrė daug naujų tyrimų krypčių: identifikuoti minimalius peptidų motyvus, kurie inicijuoja magnetito branduolių susidarymą, sukurti kanalais pagrįstą dirbtinį medžiagų tiekimą bei valdomą geležies atpalaidavimą iš feritino pagrindu sukurtų rezervuarų. Jei tyrėjai sugebės imituoti chitono „geležies transporto maršrutą“ ir baltymų judėjimą, bus galima gaminti sudėtingas hierarchines medžiagas su pageidaujamomis savybėmis be aukštų temperatūrų poreikio.

Išvados

Chitono dantys – daugiau nei biologinė įdomybė; tai gyvas gamtos pavyzdys, kaip galima kambario temperatūroje kurti nanostruktūras, turinčias išskirtines mechanines savybes. Atkleidus pagrindinius molekulinius veikėjus (RTMP1, ferritinas) bei struktūrinius etapus, formuojančius magnetitu sustiprintus dantis, naujas tyrimas tampa aiškiu planu tolesniems bioįkvėptiems medžiagų tyrimams. Šių principų pagrindu kuriami sprendimai galėtų įgalinti tvaresnę kietų, dilimui atsparių medžiagų gamybą pramonei, medicinai, energetikai ir kitoms sritims.