Природа — богатейший источник материалов с совершенно уникальными свойствами, со многими из которых творения рук человека сравнятся ещё не скоро. Например, паутина ловчих сетей пауков, не говоря даже о том, что не имеет себе равных по удельной прочности, уникальна и с точки зрения клеящих свойств: это и не жидкость, и не твёрдое вещество — скорее, это вязкоупругая субстанция, эластичность и клейкость которой зависят от силы и скорости деформации [1]. И хотя человечество уже делает определенные успехи в создании новых веществ и материалов — как при помощи прецизионного химического катализа [2] или биотехнологий, так и на основе более экзотических технологий, таких как молекулярный импринтинг [3], — обойти природу человеку пока не удается.

Всем известно, что керамические материалы являются твердыми и ломкими — такова их природа и молекулярная структура. В океанах на глубине около четырех километров обитает морская стеклянная губка Hyalonema, которая прикрепляется к песчаному дну при помощи метровых силикатных микроволокон, или спикул. Благодаря этим спикулам организм не только закрепляется в морском грунте, но и может эффективно противостоять сильным подводным течениям, которые пригибают метровую губку к поверхности дна. Синтетические керамические материалы такого диаметра непременно ломаются при аналогичных нагрузках.

Группа ученых под руководством ведущего эксперта по морским биоматериалам Доктора Германа Эрлиха (Hermann Ehrlich) из Дрезденского Технического университета в Германии в течение последних пяти лет всесторонне исследовала биохимические и физические свойства спикул глубоководного организма. В исследованиях также принимали участие ученые из Великобритании и России (из Санкт-Петербурга, Москвы и Владивостока). В результате исследований удалось установить, что эластичность силикатных спикул губки обусловлена нановолокнами структурного белка коллагена, который составляет органический каркас силикатных скелетных волокон. Этот коллаген является гидроксилированным, чем принципиально отличается от коллагена скелета человека и других высших животных. Именно дополнительные гидроксильные группы в молекуле спикульного коллагена обусловливают их эффективное взаимодействие с молекулами кремниевой кислоты. Уникальным является и механизм силикатизации губочного коллагена, так как он протекает при температурах, близких к нулю, а у антарктических стеклянных губок — при −1,5 °C.

Стеклянные губки относятся к первым многоклеточным организмам на планете и возникли, вероятно, более 600 миллионов лет тому назад. Неслучайно успех их выживания в экстремальных условиях в течение такого длительного в эволюционном отношении периода времени обусловлен специфической наноструктурной организацией опорных спикул, представляющих собой уникальный силикат-протеиновый биокомпозитный материал. Экспериментальные результаты, изложенные авторами в статье, опубликованной в журнале Nature Chemistry [4], позволяют начать разработку стратегий и технологий получения новых нанокомпозитных биоматериалов в области так называемой «экстремальной биомиметики» («extreme biomimetics»), то есть при очень низких температурах и высоком давлении.

Данная работа стала ещё одним примером всё возрастающего научного интереса к морским губкам. Еще с середины 70-х годов прошлого века исследователи обратили внимание на эти сравнительно просто устроенные организмы в связи с обнаружением в них соединений класса бромотирозинов, являющихся перспективными противораковыми агентами (см. также «Палладиевая Нобелевская премия по химии (2010)» [2]). Кроме того, ученые смогли найти применение и скелетам некоторых видов морских губок в качестве потенциальных костных и хрящевых имплантатов, поскольку такие скелеты имеют высокоструктурированную организацию как на микро-, так и на наноуровнях, обладают высокой удельной внутренней поверхностью, нетоксичны и биодеградируемы. Все эти примеры говорят о том, что нас ожидает еще масса неожиданностей и открытий даже при исследовании таких, казалось бы, простых форм жизни.

Литература

1. «Умный» клей из паутины;
2. Палладиевая Нобелевская премия по химии (2010);
3. Пластиковые антитела;
4. Hermann Ehrlich, Rainer Deutzmann, Eike Brunner, Enrico Cappellini, Hannah Koon, et. al.. (2010). Mineralization of the metre-long biosilica structures of glass sponges is templated on hydroxylated collagen. Nature Chem. 2, 1084-1088.