Бактерии научились создавать искусственный перламутр

Международная группа исследователей разработала относительно недорогой и не представляющий опасности для окружающей среды метод получения искусственного перламутра с участием бактерий [1]. Этот искусственный перламутр сравним по прочности с природным, обладает высокой жесткостью и при этом парадоксальным образом устойчив к деформациям. Предполагается, что новый метод будет полезен в решении практических задач в медицине и инженерии, а в перспективе даже внесет свой вклад в освоение Луны.

В наше время бактерии уже выполняют работу «клеточных фабрик», позволяя получать в масштабных биотехнологических процессах промышленные объемы органических полимеров, а иногда и неорганических соединений, в первую очередь карбоната кальция [2]. Однако те материалы, производству которых «обучены» бактерии, чаще всего не обладают сложной иерархической структурой, присущей природным образцам, производимым многоклеточными организмами. Как следствие, они не демонстрируют нужных свойств, не могут, скажем, похвастаться механической прочностью.

Природные материалы — перламутр, зубная эмаль или кость — обязаны своими исключительными механическими свойствами органическим и неорганическим компонентам в своем составе, которые, комбинируясь, образуют иерархическую композитную структуру разных масштабов. Например, перламутр — жесткий слоистый материал, переливающийся всеми цветами радуги и устилающий внутреннюю поверхность раковин моллюсков, — представляет собой мозаичную сборку из слоев пластинок карбоната кальция, соединенных органической матрицей в композитную структуру [3]. Около 95% массы перламутра — это карбонат кальция в полиморфной модификации арагонита, остальное — органические вещества, образующие матрицу, — β-хитин и белки, похожие по строению на фиброин шелка тутового шелкопряда или спидроин паучьих сетей. Несмотря на то, что перламутр в основном состоит из карбоната кальция, механические свойства материала раковин моллюсков и арагонита различаются. Ударная вязкость (способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударной нагрузки; ее иногда обозначают как «прочность») перламутра составляет 0,3–13,0 кДж/м2, что в тысячу раз превышает ударную вязкость чистого арагонита. Высокая прочность перламутра объясняется эффективным рассеянием механической энергии за счет эластичности органической матрицы. Это обстоятельство позволяет перламутру служить надежным механическим щитом, оберегающим моллюсков от хищников.

Материал, своим строением подобный перламутру (искусственный перламутр), — это давняя заманчивая цель для материаловедов. Такие композитные материалы, содержащие органические и неорганические составляющие, уже получают в лабораториях, однако разработать биосинтетический подход к их производству пока что не удавалось. Наиболее перспективным могло бы стать биопроизводство, которое не только позволяет воспроизводить исключительные механические свойства природного перламутра, но при этом еще и безопасно для окружающей среды. Именно такой подход взяла на вооружение группа исследователей из Нидерландов, Италии и Израиля под руководством Анны Мейер (Anne S. Meyer) из Рочестерского университета (США).

Для получения искусственного перламутра Мейер с коллегами помещали стеклянную или пластиковую пластинку в стакан с бактерией Sporosarcina pasteurii, предоставляя ей источники кальция и мочевины (в организме человека мочевина выводится через почки). В результате обмена веществ бактерии на пластинке начинали образовываться кристаллики карбоната кальция. Для получения полимерного слоя — роль полимера играл полипептид γ-полиглутамат — пластинку с кристалликами карбоната кальция помещали в раствор, в котором находилась другая бактерия — Bacillus licheniformis. В результате работы этой бактерии на поверхности кристаллов карбоната кальция нарастал слой γ-полиглутамата. Затем пластинку снова отправляли к S. pasteurii и т. д. Каждую пару этапов выдерживания пластинки в растворах, содержащих первый и второй организм, повторяли 23 раза.

В результате таких повторов на пластике образовывался слоистый композит, в котором чередовались слои карбоната кальция и полиглутамата. Толщина композитного материала составляла около 200 мкм. Исследователи говорят, что в настоящее время 5 мкм биосинтетического перламутра образуется примерно за день, но Мейер работает над ускорением биопроизводства материала и способами его нанесения на другие поверхности, например на поверхность металлов.

К сожалению, полученный материал не обладает перламутровым свечением, поэтому не заинтересует ювелиров: пластинки арагонита получаются слишком толстыми, интерференция возможна лишь в инфракрасном диапазоне.

Безусловная ценность биосинтетического перламутра заключается в его биологической совместимости, что позволяет рассматривать его как перспективный материал для медицины. Из него можно изготавливать импланты и искусственные кости. Полученный Мейер перламутр прочнее и жестче, чем большинство пластиков, но при этом легок. Прочность наряду с низкой плотностью чрезвычайно важна для материалов, использующихся при конструировании транспортных средств — автомобилей, судов и даже самолетов. Для всех этих машин лишний вес означает расход дополнительного топлива, а значит, чем легче материал, тем лучше. Поскольку производство бактериального перламутра не требует сложного оборудования, Мейер с коллегами надеются, что перламутровое покрытие, предотвращающее разрушение и износ, сможет найти самое широкое применение — от защитных покрытий для сохранения объектов культурного наследия до упаковки пищевых продуктов и предотвращения утечек воды и воздуха на Земле и в космосе.

Мейер заявляет, что для использования ее метода на Луне есть все предпосылки — в лунной пыли содержится немало со­единений кальция, а источником мочевины станут астронавты, которым нужно лишь захватить с Земли штаммы соответствующих бактерий.

Аркадий Курамшин,
канд. хим. наук, доцент Химического института КФУ

1. Ewa M. Spiesz, Dominik T. Schmieden, Antonio M. Grande, Kuang Liang, Jakob Schwiedrzik, Filipe Natalio, Johann Michler, Santiago J. Garcia, Marie-Eve Aubin-Tam, Anne S. Meyer. Bacterially Produced, Nacre-Inspired Composite Materials // Small, 2019; 1805312; DOI: 10.1002/smll.201805312
2. Periasamy Anbu, Chang-Ho Kang, Yu-Jin Shin and Jae-Seong So. Formations of calcium carbonate minerals by bacteria and its multiple applications // SpringerPlus. — 2016. 5:250; DOI: 10.1186/s40064-016-1869-2
3. Alexander Finnemore, Pedro Cunha, Tamaryn Shean, Silvia Vignolini, Stefan Guldin, Michelle Oyen Ullrich Steiner. Biomimetic layer-by-layer assembly of artificial nacre // Nature Communications. — 2012. — V. 3. — Article number: 966; DOI: 10.1038/ncomms1970