Фунт за фунтом, паучий шелк является одним из самых прочных известных материалов: исследование, проведенное Маркусом Бюлером из Массачусетского технологического института, помогло объяснить, что эта прочность возникает из-за необычного иерархического расположения белковых строительных блоков шелка.
Теперь Бюлер вместе с Дэвидом Капланом из Университета Тафтса и Джойс Вонг из Бостонского университета синтезировали новые варианты натуральной структуры шелка и нашли способ дальнейшего улучшения синтетического материала.
И музыкальный слух, как оказалось, может быть ключом к этим структурным улучшениям.
Работа является результатом сотрудничества инженеров-строителей и экологов, математиков, биомедицинских инженеров и музыкальных композиторов.
«Мы пытаемся по-новому подойти к созданию материалов, - объясняет Бюлер, - начиная со строительных блоков» - в данном случае с белковых молекул, образующих структуру шелка. «Это очень сложно сделать, белки очень сложные».
Другие группы пытались создать такие волокна на основе белка, используя метод проб и ошибок, говорит Бюлер. Но эта команда подошла к проблеме систематически, начав с компьютерного моделирования основных структур, которые придают натуральному шелку необычное сочетание прочности, гибкости и эластичности.
Предыдущее исследование Бюлера показало, что волокна с особой структурой - высокоупорядоченные, многослойные белковые структуры, чередующиеся с плотно упакованными, спутанными глыбами белков (ABABAB) - помогают придать шелку его исключительные свойства. Для этой первоначальной попытки синтеза нового материала команда решила вместо этого посмотреть на образцы, в которых одна из структур встречалась в триплетах (AAAB и BBBA)..
Изготовление таких конструкций - непростая задача. Каплан, инженер-химик и биомедицина, модифицировал гены производства шелка, чтобы получить эти новые последовательности белков. Затем Вонг, биоинженер и ученый-материаловед, создал микрожидкостное устройство, которое имитировало орган паука, прядущий шелк, и назвало его фильерой..
Даже после детального компьютерного моделирования результат оказался немного неожиданным, говорит Бюлер. Один из новых материалов производил очень прочные белковые молекулы, но они не склеивались как нить. Другой производил более слабые белковые молекулы, которые хорошо прилипали и образовывали хорошую нить. «Это научило нас тому, что недостаточно рассматривать только свойства белковых молекул», - говорит он. «Скорее [необходимо] подумать о том, как они могут объединиться, чтобы сформировать хорошо связанную сеть в большем масштабе."
Результаты представлены в статье, опубликованной в журнале Nano Today.
В настоящее время команда производит еще несколько вариантов материала для дальнейшего улучшения и проверки его свойств. Но одна особенность в их процессе может дать значительное преимущество в выяснении того, какие материалы будут полезны, а какие нет, и, возможно, даже какие из них могут быть более выгодными для конкретных целей. Эта новая и весьма необычная изюминка - музыка.
Различные уровни структуры шелка, говорит Бюлер, аналогичны иерархическим элементам, составляющим музыкальную композицию, включая высоту тона, диапазон, динамику и темп. Команда заручилась помощью композитора Джона Макдональда, профессора музыки в Тафтсе, и постдока Массачусетского технологического института Дэвида Спивака, математика, специализирующегося в области теории категорий. Вместе, используя аналитические инструменты, основанные на теории категорий, для описания белковых структур, команда выяснила, как преобразовать детали структуры искусственного шелка в музыкальные композиции.
Различия были довольно отчетливыми: сильные, но бесполезные белковые молекулы трансформировались в музыку, которая была агрессивной и резкой, говорит Бюлер, в то время как те, которые образовывали пригодные для использования волокна, звучат намного мягче и плавнее.
Бюлер надеется, что это можно сделать еще дальше, используя музыкальные композиции, чтобы предсказать, насколько хорошо могут звучать новые вариации материала. «Мы ищем радикально новые способы разработки материалов», - говорит он.
Сочетание моделирования материалов с математическими и музыкальными инструментами, по словам Бюлера, может обеспечить гораздо более быстрый способ разработки новых биосинтезированных материалов, заменив преобладающий сегодня метод проб и ошибок. По его словам, генная инженерия организмов для производства материалов - это долгий и кропотливый процесс, но эта работа «преподала нам новый подход, фундаментальный урок» сочетания эксперимента, теории и моделирования для ускорения процесса открытия.
Материалы, произведенные таким образом, которые можно производить в экологически благоприятных условиях при комнатной температуре, могут привести к новым строительным блокам для тканевой инженерии или других целей, говорит Бюлер: каркасы для замещения органов, кожи, кровеносных сосудов или даже новые материалы для использования в гражданском строительстве.
Эллиотт Шварц, почетный профессор музыки в колледже Боудойн, говорит: «На протяжении веков математика, логика и наука давали важные модели музыкальных структур, процессов и нашего понимания звуковых материалов. Настоящее исследование вполне может привести к к еще одной важной главе в этой продолжающейся истории взаимного взаимодействия».
Возможно, сложные структуры музыки могут выявить основные сложные структуры биоматериалов, встречающихся в природе, говорит Бюлер. «Возможно, в музыке есть лежащее в основе структурное выражение, которое говорит нам больше о белках, из которых состоят наши тела. В конце концов, наши органы, включая мозг, состоят из этих строительных блоков, и музыкальное выражение человека может непреднамеренно включать больше информация, о которой нам известно."
«Никто не использовал это», - говорит он, добавляя, что с широтой его междисциплинарной команды: «Мы могли бы сделать это - создать лучшие биоматериалы с помощью музыки и использовать музыку для лучшего понимания биологии."