Биоинженерам удалось воссоздать клей, при помощи которого мелкий морской червяк строит свои дома. Им можно склеивать даже раздробленные суставы и лицевые кости.
Многощетинковый червь phragmatopoma californica живет в приливной зоне. Он умеет синтезировать специальный клей, с помощью которого склеивает прямо в морской воде песчинки и кусочки морских раковин, строя огромные трубчатые колонии.
Замечательные свойства клея заинтересовали биоинженеров из университета штата Юта (University of Utah). Как рассказал руководитель работы Рассел Стюарт (Russel Stewart), они разработали искусственный аналог «червячного» клея и надеются, что уже через несколько лет его начнут применять в ортопедии. А затем хирурги смогут легко восстанавливать раздробленные колени, запястья, локти и лодыжки, а также другие суставы, возможно даже лицевые кости.
Из жизни phragmatopoma californica
Конкретный морской червь (американцы называют его sandcastle worm – «песочнозамковый червь») привлек внимание биоинженеров своими строительными способностями. Червяки строят трубчатые домики вплотную друг к другу. Колонии получаются размером с автомобиль. Находятся они в приливной зоне, где ощущают на себе все прелести водной и воздушной среды. К тому же о них бьются волны. Но эти колонии настолько прочны, что не разрушаются в таких непростых условиях.
Сам червячок небольшой – длиной около 3 см и толщиной 0,25 см. Но его трубчатый домик достигает в длину нескольких десятков сантиметров. Червячок высовывает свои пушистые реснички из внешнего конца трубочки и ловит ими еду. А если попадается не еда, а песчинка или крошка от раковины, он захватывает ее своим пинцетоподобным «строительным органом», смачивает в двух местах клеем и прижимает к стенке своей трубки-домика. Подождав примерно 25 секунд, червячок слегка пошатывает строительный блок, проверяя, крепко ли тот держится, и если да -- возвращается к отлавливанию еды. Состав червячного клея подобран так, что застывает через 30 секунд после выделения из организма.
Поиски клейкой формулы
В лаборатории профессор Стюарт сначала показал, что червяк может склеивать самые разные материалы: кусочки яичной скорлупы, стекла, красный песок, кость, шарики из оксида циркония и даже кусочки кремниевого чипа (на видео). Затем вместе с коллегами приступил к исследованию состава клея.
Уже было известно, что тот состоит из белков и специального вещества дофа (диоксифенилаланин), которое есть и у мидий. С его помощью они закрепляются на скалах и бортах лодок. Но ученые исследовали состав червячного клея более подробно: им нужно было понять, как именно он работает. И придумать, как синтезировать такой же искусственным путем. Оказалось, что в состав клея входит два белка -- один кислотный, или «отрицательно заряженный», другой основной, или «положительно заряженный». Кроме того, есть еще ионы кальция и магния. Белки соединяются друг с другом, образуя натуральный полимер. Остовом или скелетом этого полимера служит полиамид, к которому с разных сторон присоединены разные белковые фрагменты.
Команда Стюарта для своего синтетического «червячного» клея вместо полиамида использовала в качестве основы более простой, распространенный и водорастворимый полиакрилат. Его используют в суперклеях, лаке для ногтей и других материалах, часто встречающихся в быту. На эту основу они «навесили» точно такие же белковые фрагменты, как у синтетического клея. Эти фрагменты, кислотные и основные, химически скрепляют полимеры между собой. В итоге вся клеевая масса затвердевает.
Контрольное склеивание
Чтобы проверить, как работает новый клей, исследователи купили в мясной лавке коровью кость и вырезали из нее кубики с гранями в 1 см. Одни кубики склеили своим клеем, а другие -- суперклеем, купленным в магазине. Перед склеиванием кости смочили. После склеивания образцы держали влажными в тепле 24 часа. Затем образцы испытывали: тянули за склеенные кусочки в разные стороны до разрыва. Оказалось, что синтетический «червячный» клей на 37% прочнее суперклея.
Впрочем, «червячный» клей не планируют использовать для крупномасштабных переломов, которые сращивают с помощью шурупов и штифтов. Но в незначительных раздробленных переломах суставов метод механического крепежа далеко не идеален. Правильно соединить мелкие фрагменты шурупами очень трудно. К тому же сустав испытывает значительную нагрузку. Клей же поможет соединить кусочки кости точнее и не предполагает лишней физической нагрузки на заживающий сустав. А совсем маленькие фрагменты скрепить механически просто невозможно – тут поможет только медицинский клей.
Рассел Стюарт ожидает, что в течение одного–двух лет клей будет протестирован на животных, а уже через пять--десять лет его смогут не только испытывать, но и применять для лечения человека.
Текущие результаты описаны в пресс-релизе на сайте университета и в скором времени будут подробно изложены в журнале Macromolecular Biosciences.
