Команда исследователей из Дальневосточного федерального университета (ДВФУ), Женевского и Лозаннского университетов, а также Швейцарской высшей технической школы Цюриха изучила наноструктуры, покрывающие роговицу глаз у мух дрозофил и выяснила, что покрытие состоит из двух компонентов: протеина ретинин и роговичного воска. А антибликовые и антиадгезионные свойства покрытия определяются его строением. Ретинин и роговичный воск автоматически генерируют регулярную сеть выростов при формировании нанослоя.
Этот самоорганизующийся процесс смоделировал английский математик Алан Тьюринг в своём труде «Химические основы морфогенеза» ещё в 1952 году. Согласно его модели, процесс идёт по реакционно-диффузионному механизму, при котором две молекулы автоматически организуются для создания узоров в виде регулярных участков или полос. Одна из молекул служит активатором, запускающим самоорганизацию материи, другая действует как ингибитор процесса. По такому же принципу формируются, например, пятна на шкуре зебры или леопарда. Подобные структуры получили название «узоры Тьюринга».
В случае антибликовых покрытий на роговице глаз насекомых, как установили авторы исследования, активатором служит ретинин: этот исходно неструктурированный белок образует глобулярную структуру при контакте с роговичными восками и начинает формировать узор. Воск же играет роль ингибитора. «Силовая» игра между этими двумя компонентами приводит к образованию нанопокрытия с сетью выступов. Таким образом, запуск структурирования белка — важный молекулярный процесс в механизме самоорганизации по модели Тьюринга.
Наноструктуры, защищающие роговицу глаз дрозофил, стали первым известным примером узоров Тьюринга в наномасштабе.
Используя методы биохимического анализа и генетической модификации, международная команда под руководством Владимира Катанаева, заведующего лабораторией фармакологии природных соединений Школы биомедицины ДВФУ, реконструировала белок ретинин и воск роговицы (жиры) и использовала их в качестве строительных блоков искусственных наноструктур. Низкозатратное производство ретинина учёные наладили с помощью генетически модифицированных бактерий.
Смешивая синтетический белок с воском, они создали на стекле и пластике искусственные нанопокрытия с морфологией, подобной наблюдающейся у насекомых, и с антиадгезионными или антибликовыми функциями.
Первым этапом создания биологических наноструктурированных поверхностей стала разработка математической модели их самообразования. Затем исследователи экспериментально подтвердили полученную модель, предварительно идентифицировав гены, отвечающие за формирование нанопокрытий. После чего перешли, собственно, к созданию биомиметических искусственных нанопокрытий.
При этом они обнаружили, что нанопокрытия, состоящие из отдельных выступов, обладают лучшими антибликовыми свойствами, тогда как частично слитые структуры имеют лучшие антиадгезионные свойства. Покрывать защитным слоем можно любые материалы. Для этого нужно соединить ретинин с иными видами восков, а также провести генетические манипуляции с самим белком, что позволит создавать на основе нанопокрытия более сложные функциональные структуры.
Исследователи подчёркивают, что метод получения таких биоразлагаемых нанопокрытий с антимикробными, антибликовыми и самоочищающимися свойствами более экономичный в сравнении с существующими сегодня методами производства похожих структур. Синтезировать нанопокрытие можно в любых необходимых количествах. Работа ведётся с природными компонентами при комнатной температуре, не нужно специального оборудования, значительных энергозатрат и жёстких ограничений, как при химическом травлении, литографии и печати лазером.
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, использовать в качестве покрытий медицинских имплантов и самоочищающихся контактных линз. Авторы разработки полагают, что если нанопо-крытие армировать, на его основе можно получить прототипы гибких миниатюрных транзисторов для современной электроники.
Профессор Владимир Леонидович Катанаев начал исследовать структуру глаза дрозофил в 2011 году. Первые данные были получены почти случайно, когда в ходе сотрудничества с лабораторией Игоря Николаевича Сердюка из Института белка в Пущино с помощью атомной силовой микроскопии обнаружилось, что поверхность роговицы мушек не гладкая, а покрыта красивыми узорами из псевдоупорядоченных наноразмерных выростов. Оказалось, что такого рода нанопокрытия были описаны ещё в конце 1960-х 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.
Следующим этапом работы может стать моделирование на основе механизма Тьюринга трёхмерного нанопокрытия (с нановоронками, наноколоннами, наноклубками в толще покрытия), что может иметь очень интересные фундаментальные и прикладные последствия.
Результаты исследования опубликованы в журнале «Nature».
По информации пресс-службы Дальневосточного федерального университета.
