Вирусы как молекулярный конструктор

Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли превратили безвредный вирус в инструмент для сборки структур, имитирующих коллаген — один из важнейших структурных белков в природе. Разработанный ими процесс в будущем может быть использован для производства материалов с настраиваемыми оптическими, биомедицинскими и механическими свойствами.

Учёные под руководством Сын-Вук Ли, адъюнкт-профессора биоинженерии, описали свой процесс «самошаблонной сборки материала» в выпуске журнала Nature от 20 октября.

«Мы черпали вдохновение в природе, — сказал Ли. — Мы нашли способ имитировать формирование сложных структур из спиральных макромолекул, таких как коллаген, хитин и целлюлоза».

Например, яркий цвет кожи мандрила обусловлен не пигментом, а специфическим рассеянием света, которое возникает, когда тонкие волокна коллагена в его коже собираются в пучки, скручиваются и наслаиваются. В то же время, перпендикулярное, решётчатое расположение коллагена создаёт прозрачность, как в роговице. А скрученные в штопор волокна, минерализованные после взаимодействия с кальцием и фосфатом, образуют самые твёрдые части нашего тела: кости и зубы.

«Базовый строительный блок для всех этих функциональных материалов — роговицы, кожи и зубов — один и тот же. Это коллаген», — отметил Ли.

Исследователи начали с изучения факторов, влияющих на формирование иерархических структур. В качестве удобной модельной системы они выбрали раствор с различной концентрацией безвредного для человека бактериофага M13, чья длинная «палочкообразная» форма с винтовой бороздкой на поверхности напоминает волокна коллагена.

Разработанная техника заключается в погружении плоского стеклянного листа в «вирусную ванну» и его медленном извлечении с точной скоростью. Лист покрывается свежей плёнкой из прикрепившихся вирусов. При скорости вытягивания от 10 до 100 микрометров в минуту обработка всего листа может занять от 1 до 10 часов.

Регулируя концентрацию вирусов в растворе и скорость вытягивания стекла, учёные могли контролировать вязкость жидкости, поверхностное натяжение и скорость испарения во время роста плёнки. Эти факторы определяли тип формируемого вирусами узора. Исследователям удалось создать три различных паттерна:

1. При относительно низкой концентрации вирусов (до 1.5 миллиграмм на миллилитр) формировались регулярные полосы, содержащие нити, ориентированные под углом 90 градусов друг к другу.
2. При более медленной скорости вытягивания вирусы спонтанно собирались вместе и, прикрепляясь к листу, начинали скручиваться в спиральные ленты.
3. Самый сложный «лапшеобразный» узор формировался при концентрациях от 4 до 6 мг/мл. Используя синхротрон Advanced Light Source, учёные обнаружили, что эта высокоупорядоченная структура может преломлять свет, как призма, способами, ранее не наблюдавшимися в природе или искусственных материалах.

«Мы можем определять тип структуры, тонко настраивая факторы, влияющие на кинетику и термодинамику процесса сборки», — пояснил ведущий автор работы Ву-Дже Чунг.

Исследователи также показали, что процесс сборки вирусов можно использовать в биомедицинских целях. Они генетически модифицировали вирус для экспрессии специфических пептидов, влияющих на рост мягких и твёрдых тканей. Полученные вирусные плёнки использовали в качестве шаблонов для биоминерализации фосфата кальция, формируя композит, похожий на зубную эмаль, который в будущем может применяться как регенеративный тканевый материал.

Простота техники позволяет адаптировать её для использования в производстве. После установки параметров процесс самоорганизации происходит сам по себе.

«Мы запускали этот процесс на ночь, и к утру на подложке были триллионы вирусных нитей, упорядоченных в узоры, — сказал Ли. — Мы начали понимать подход природы к созданию таких сложных структур и разработали простой способ имитировать и даже расширять его».