Цинк в белках — секрет острых когтей и зубов у скорпионов, пауков и муравьев

Мелкие животные часто формируют свои зубы, когти и другие «инструменты» из материалов, насыщенных цинком, бромом и марганцем. Содержание этих тяжелых элементов может достигать 20% от массы материала. Мы называем такие вещества биоматериалами с тяжелыми элементами. Новое исследование показывает, что именно они позволяют животным формировать скальпельно-острые и точно сформированные инструменты, устойчивые к поломке, деформации и износу.

Состав и структура

Изучение зубов мандибул муравьев показало, что это однородная смесь белков и цинка. Отдельные атомы цинка присоединены примерно к четверти аминокислотных звеньев в белках, из которых состоят зубы. В отличие от них, кальцифицированные инструменты (например, человеческие зубы) состоят из относительно крупных частиц минералов кальция. Мы полагаем, что именно отсутствие такой «крупности» делает биоматериалы с тяжелыми элементами лучше пригодными для формирования гладких, точно сформированных и исключительно острых инструментов.

Эволюционное преимущество

Оценка силы, энергии и размера мышц, необходимых для резки, показала преимущества таких материалов. По сравнению с другими твёрдыми биоматериалами, износостойкий цинковый материал позволяет прокалывать жёсткие вещества, используя лишь пятую часть усилия. Преимущество ещё более значительно в сравнении с кальцифицированными материалами: из-за невозможности быть такими же острыми они могут требовать более чем в 100 раз большего усилия.

Для мелких животных эволюция материалов, способных формировать острые инструменты, закономерна. Например, клещу и волку нужно прокусить одну и ту же кожу лося, но у волка несравнимо сильнее мышцы. Клещ компенсирует крошечные мышцы за счёт более острых инструментов, концентрирующих усилие на меньшей площади.

Однако, как и острие карандаша, более острый кончик инструмента легче ломается. Риск разрушения усугубляется тем, что мелкие животные часто используют длинные тонкие инструменты для увеличения досягаемости. Сколотый коготь или зуб может быть смертельным для мелкого животного, у которого нет сил резать затупившимся инструментом. Но мы обнаружили, что биоматериалы с тяжелыми элементами также особенно тверды и устойчивы к повреждениям.

Эти материалы с эволюционной точки зрения позволяют более мелким животным потреблять более жёсткую пищу. Энергия, сэкономленная за счёт меньших усилий при резке, важна для любого животного. Эти преимущества могут объяснять широкое распространение таких биоматериалов в природе — их используют большинство муравьев, многие другие насекомые, пауки и их родственники, морские черви, ракообразные и многие другие организмы.

Механизм и перспективы

Хотя наше исследование прояснило преимущества этих биоматериалов, точный механизм, с помощью которого цинк и марганец упрочняют и защищают инструменты, остаётся неизвестным.

Одна из гипотез заключается в том, что небольшая часть цинка формирует «мостики» между белками, и эти сшивки упрочняют материал — подобно тому, как перекладины укрепляют здание. Мы также предполагаем, что при ударе клыка о что-то твёрдое эти цинковые связи могут разрываться первыми, поглощая энергию и предотвращая скол самого клыка.

Мы предполагаем, что обилие дополнительного цинка представляет собой готовый запас для «залечивания» материала путём быстрого восстановления разорванных цинк-гистидиновых сшивок между белками.

Потенциальная самовосстанавливающаяся способность делает эти материалы ещё более интересными. Следующим шагом нашей команды будет проверка этой гипотезы. В перспективе изучение самовосстановления или других особенностей биоматериалов с тяжелыми элементами может привести к созданию улучшенных материалов для применения в таких областях, как миниатюрные медицинские устройства.