Секрет прочности паутины — в кооперации водородных связей
Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) выяснили, что прочность биологических материалов, таких как паучий шелк, обусловлена специфической геометрической конфигурацией структурных белков. В них небольшие кластеры слабых водородных связей работают кооперативно, чтобы сопротивляться нагрузке и рассеивать энергию.
Эта структура делает легкий природный материал таким же прочным, как сталь, несмотря на то что «клей» водородных связей, удерживающий паучий шелк на молекулярном уровне, в 100–1000 раз слабее прочных металлических связей в стали или даже ковалентных связей в кевларе.
Это новое понимание того, как именно конфигурация белка усиливает прочность материала, основано на теоретическом моделировании и крупномасштабных атомистических симуляциях, выполненных на суперкомпьютерах. Оно может помочь инженерам создавать новые материалы, имитирующие легкую и прочную паутину, а также повлиять на исследования мышечной ткани и амилоидных фибрилл в тканях мозга.
«Мы надеемся, что, понимая механику материалов на атомарном уровне, мы однажды сможем создать руководящий принцип для синтеза новых материалов», — говорит профессор Маркус Бюлер, ведущий исследователь работы.
В статье, опубликованной 13 февраля в онлайн-выпуске Nano Letters, Бюлер и аспирант Синан Кетен описывают, как с помощью атомистического моделирования они показали, что кластеры из трех или четырех водородных связей, связывающих стопки коротких бета-тяжей в структурном белке, рвутся одновременно, а не последовательно, под механической нагрузкой. Это позволяет белку выдерживать большее усилие, чем если бы его бета-тяжи имели только одну или две связи. Как ни странно, небольшие кластеры также рассеивают больше энергии, чем длинные бета-тяжи со множеством водородных связей.
«Использование только одной или двух водородных связей при построении белка не обеспечивает механического сопротивления или обеспечивает его очень мало, потому что связи очень слабы и рвутся почти без провокации, — поясняет Бюлер. — Но использование трех или четырех связей приводит к сопротивлению, которое фактически превышает сопротивление многих металлов. Использование более четырех связей приводит к значительно сниженному сопротивлению. Прочность максимальна при трех или четырех связях».
Наблюдая в своих симуляциях одновременный разрыв этих кластеров водородных связей, исследователи с помощью законов термодинамики объяснили, почему связи разрываются именно небольшими группами, даже в длинных тяжах. В статье показано, как внешняя сила изменяет энтропийную энергию в системе и приводит к разрыву водородных связей. Расчет энергии, необходимой для инициирования процесса разворачивания белковой молекулы, показал, что добавление большего количества водородных связей в более длинные тяжи не увеличивает прочность материала.
«У вас просто получится длинная цепь бета-тяжей с "ленивыми" связями, которые не вносят вклад в прочность сборки, — говорит Кетен. — Но материал, состоящий из множества коротких бета-тяжей, сложенных и соединенных тремя или четырьмя водородными связями, может проявлять прочность, большую, чем у стали».
Структурные белки содержат преобладание бета-слоев — участков, свернутых так, что они напоминают старомодную ленточную конфету: короткие волны или тяжи уложены стопкой, каждый — ровно такой длины, чтобы позволить трем или четырем водородным связям соединить его с участком сверху и снизу.
Согласно экспериментальным данным протеомики о структурах белков в Protein Data Bank (PDB), бета-слои с короткими тяжами, соединенными тремя или четырьмя водородными связями, являются наиболее распространенной конформацией среди всех бета-структурных белков, включая те, что составляют мышечную ткань.
Эта корреляция между распространенной геометрической конфигурацией бета-слоев (одной из двух наиболее распространенных белковых структур) предполагает, что прочность белка является важной эволюционной движущей силой, стоящей за его физическим дизайном. Исследователи наблюдали такое же поведение в аналогичных небольших кластерах в альфа-спиральных структурных белках, но еще не изучали эти сборки подробно.
В отличие от этого, синтетические материалы, такие как сталь, имеют совершенно иную кристаллическую структуру, удерживаемую более прочным «клеем» металлических связей. Их плотность и вес требуют значительных затрат энергии при производстве и транспортировке.
«В металлах связи гораздо прочнее и для их разрыва требуется гораздо большее усилие, — отмечает Бюлер. — Однако кристаллическая решетка структуры металла никогда не бывает идеальной; она содержит дефекты, которые эффективно снижают прочность материала. Когда вы прикладываете нагрузку к металлу, дефект может разрушиться, возможно, вызывая распространение трещины. В бета-слоях белков ограниченная природа кластеров водородных связей помогает рассеивать энергию, не ставя под угрозу прочность материала. Это показывает удивительную изобретательность и эффективность природных материалов».
Источник: Massachusetts Institute of Technology (MIT)