Ученые из Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) вместе со швейцарскими коллегами исследовали наноструктуры, покрывающие роговицу глаз у мух дрозофил, и на их примере узнали, как экономично и экологично производить безопасные биоразлагаемые нанопокрытия с антимикробными, антибликовыми и самоочищающимися свойствами, которые можно применять практически во всех областях человеческой деятельности, включая медицину, наноэлектронику, автомобилестроение и текстильную промышленность.
Фото: ekamelev / unsplash.com
Фото: ekamelev / unsplash.com
Команда ученых из ДВФУ, Женевского и Лозаннского университетов, а также Швейцарской высшей технической школы Цюриха провела междисциплинарное исследование, по итогам которого удалось точно воспроизвести нанопокрытие роговицы мух дрозофил, защищающее глаза насекомых от мельчайших пылинок и сводящее на нет отражение света.
Нанопокрытие можно наносить на любые трехмерные структуры, применяя его в самых разных сферах. В зависимости от задач ему можно придавать антибликовые, антибактериальные и гидрофобные свойства, в том числе способность к самоочищению, которая, например, очень важна для дорогостоящих многоразовых контактных линз, корректирующих форму хрусталика. Аналогичные антирефлекторные покрытия, созданные более сложными и затратными методами, сегодня используют на панелях компьютеров, очков, покрывают ими дорогие картины в музеях, чтобы исключить отражение и преломление света.
«Синтезировать нанопокрытие можно в любых необходимых количествах, при этом методика синтеза экономически более выгодна в сравнении с существующими сегодня методами производства похожих структур, т.к. в ней предусмотрена работа с природными компонентами и нет надобности в специальном оборудовании, значительных энергозатратах и жестких ограничениях, которые необходимы при химическом травлении, литографии и печати лазером, – объясняет руководитель работы Владимир Катанаев, заведующий лаборатории фармакологии природных соединений Школы биомедицины ДВФУ. — Сферы применения разработки могут быть самыми разными. Можно структурно окрашивать текстильные изделия, которые будут менять свой цвет в зависимости от угла зрения, создавать эффект «плаща-невидимки» для специальных сооружений и конструкций, антибактерильное покрытие медицинских имплантов и самоочищающееся покрытие для контактных линз. Мы также полагаем, что, если нанопокрытие армировать, на его основе можно получить прототипы гибких миниатюрных транзисторов для современной электроники».
Искусственно пересобрать покрытие роговицы мушек дрозофил ученым удалось с помощью методов обратной и прямой биоинженерии: сначала они «разобрали» защитный слой роговицы на составляющие компоненты, которыми оказались белок ретинин и роговичный воск (жиры), а потом воспроизвели его в условиях комнатной температуры, покрыв им стекло и пластик.
По словам Владимира Катанаева, покрывать защитным слоем можно и любые другие виды материалов, если соединить ретинин с иными видами восков, а также провести генетические манипуляции с самим белком, что также позволит создавать на основе нанопокрытия более сложные функциональные структуры.
Ученый рассказал, что механизм, который лежит в основе образования защитных наноструктур на роговице мушек дрозофил,— это самоорганизующийся процесс, описанный Аланом Тьюрингом еще в 1952 году как механизм реакции-диффузии. Это удалось подтвердить с помощью математического моделирования. По такому же принципу формируются, например, пятна на шкуре зебры или леопарда. Наноструктуры, защищающие роговицу глаз дрозофил, — это первый известный пример узоров Тьюринга в наномасштабе.
В ходе исследования ученые подробнее познакомились со свойствами ретинина, который до это был мало изучен. Оказалось, этот исходно неструктурированный белок образует глобулярную структуру при взаимодействии с роговичными восками. Таким образом, удалось заглянуть вглубь биофизического механизма самоорганизации по модели Тьюринга, выделив в ней важный молекулярный процесс – запуск структурирования белка.
Следующим этапом работы может стать моделирование на основе механизма Тьюринга трехмерного нанопокрытия (с нановоронками, наноколоннами, наноклубками в толще покрытия), что станет работой на самой границе современного научного знания и может иметь очень интересные фундаментальные и прикладные последствия.
Профессор Владимир Катанаев начал исследовать структуру глаза дрозофил около 10 лет назад. По словам ученого, первые данные были получены почти случайно, когда в ходе сотрудничества с лабораторией Игоря Сердюка из Института белка в Пущино с помощью атомной силовой микроскопии обнаружилось, что поверхность роговицы мушек не гладкая, а покрыта красивыми узорами из псевдо-упорядоченных наноразмерных выростов. Оказалось, что такого рода нанопокрытия были описаны еще в конце 1960 годов на поверхности глаз более крупных насекомых — мотыльков, у которых эти частички также выполняют антирефлекторную функцию, сводя к нулю отражение падающего света и позволяя оптимизировать световосприятие в темноте.
Использованы материалы статьи Reverse and forward engineering of Drosophilacorneal nanocoatings; Mikhail Kryuchkov, Oleksii Bilousov, Jannis Lehmann, Manfred Fiebig, Vladimir L. Katanaev; журнал Nature, сентябрь 2020 г.