Сборник материалов V Троицкой конференции «Медицинская физика и инновации в медицине (ТКМФ-5)», Троицк, 2012, т.2, с. 184-186.
структурно-механические исследования природных и биоинженерных конструкций шелка
1,2, 1, 2, 1, 3, 4,
2, 5
1 ФГБУН Институт теоретической и экспериментальной биофизики Российской академии наук
2 НИЦ «Курчатовский институт»
3 ФГБУН Институт биофизики клетки Российской академии наук
4 ФГБУН Институт общей и неорганической химии Российской академии наук
5 Индийский институт технологий, Отделение биотехнологий, Кхарагпур, Индия
*****@***com
Работа посвящена сравнительному исследованию структурно-механических характеристик различных природных и инженерных конструкций шелка. Методами SAXS/WAXS дифрактометрии с использованием синхротронного излучения проведены исследования различных природных конструкций шелка: белков шелка, сформированных внутри шелковой гланды; волокон шелка непосредственно из шелкопряда в процессе спинингования для формирования кокона; текстильных образцов шелковых нитей, а также биоинженерных конструкций (скефолдов) на основе шелка. Рентгенофлуоресцентным методом проведено определение элементного содержания в различных типах природных конструкций шелка в диапазоне от Al до Rb. Проведены измерения механических характеристик образцов шелка (упругость, максимальное удлинение, прочность). Мы рассматриваем конструкции природного шелка как композитный материал, в котором одни и те же полипептидные цепи играют роль и матрицы, и армирующего вещества, обусловливая дифракцию в больших и малых углах и обеспечивая широкий спектр структурно-механических свойств и других термодинамических параметров, присущих композитным материалам. На наш взгляд, композиты на основе природного шелка в силу его высокой прочности, биосовместимости и биодеградабельности могут быть уникальным материалом, пригодным для биотехнологических и медицинских целей.
В последние годы нами проводятся систематические экспериментальные исследования структурной динамики белков шелка, которые в виде специфических конструкций локализованы и функционируют вне организма. Структурам шелка присуща динамическая реактивность, благодаря которой эти экономично организованные физико-химические системы оперативно реагируют на сигнальные воздействия как организма куколки, так и внешней среды, и удерживают живую систему в диапазоне физиологически допустимых границ, выполняя тем самым фундаментальную биологическую функцию шелкового контейнера – модификационную адаптацию независимо от генного контроля организма. Идейной основой исследования является оригинальная концепция, позволяющая в рамках статистической физики сетчатых полимеров рассматривать наноструктурный механизм модификационной адаптации биологических систем к внешним воздействиям, например, к изменениям температуры.
Исследования проводятся на шелковых конструкциях шелкопрядов Bombyx mori и эндемического типа Antheraea mylitta, уникальной особенностью которого является наличие педанкла – конструкции из нитей шелка, сформированной гусеницей для фиксации кокона – белкового контейнера, который на длительный период обеспечивает защиту куколки от условий внешней среды.
Методами рентгеновской дифракции в малых и больших углах (SAXS/WAXS) с использованием синхротронного излучения (СИ) проведены исследования различных конструкций шелка: белков шелка, сформированных внутри шелковой гланды; волокон шелка непосредственно из шелкопряда в процессе спинингования для формирования кокона; текстильных образцов шелковых нитей, а также биоинженерных конструкций (скефолдов) на основе шелка [1]. В широком диапазоне температур (10-75 °С) не выявлено изменения SAXS/WAXS дифракционных картин.
WAXS картины природных конструкций шелка дают текстурированную фибриллярную рентгенограмму, обусловленную конфигурацией b-складчатого слоя полипептидных цепей. Показана идентичность структурных параметров рентгенограмм фибриллярного типа для шелкопряда любого вида. Показано, что классический b-складчатый слой является инвариантом молекулярной структуры различных природных и биотехнологических конструкций шелка. Некоторые различия проявляются только в степени текстурированности за счет взаимной дезориентации достаточно жесткой полипептидной конфигурации фиброина шелка. На рентгенограммах кокона регистрируются многочисленные острые кольцевые рефлексы, дебаевский тип рентгенограмм характерен и для всех типов скефолдов.
Малоугловая дифракция природных конструкций шелка, представленная на примере педанкла, демонстрирует в наноразмерной шкале периодичность в виде отчетливых меридиональных штрихов и очень интенсивных экваториальных пятен, угловое положение которых изменяется при растяжении. Кроме того, такие образцы демонстрируют интенсивное малоугловое радиально симметричное диффузное рассеяние.
|
|
в |
Рис. 1. WAXS (а), SAXS (б) картины и наноструктурная модель (в) природной конструкции шелка педанкла. |
а
б
Нами предложена наноструктурная модель педанкла на основе SAXS картины педанкла в рамках теории дифракции рентгеновских лучей на пучке разноориентированных цепных молекул [2]. В структуре педанкла мы имеем дело с паракристаллическим типом наноструктуры, в которой существуют элементы несогласованной укладки: цепные молекулы могут быть изогнутыми, наклоненными друг к другу. Некоторые нарушения сдвига, искажение и радиальной разупорядоченности волокон проявляются в наличии широких меридиональных рефлексов с незначительным отклонением от оси текстуры. Отклонения от оси подтверждаются некоторым уменьшением степени текстурированности на SAXS рентгенограммах: наблюдается радиальное размытие меридиональных рефлексов, при этом ширина рефлексов не меняется, что говорит о сохранении жесткости полипептидной цепи в диапазоне 7 нм. По-видимому, характерная для структуры педанкла разупорядоченность в наношкале упрочняет механические свойства системы в целом, тем самым обеспечивая адаптационные свойства живой системы к изменению условий среды – резкому изменению механической нагрузки (направление и сила ветра), температуры, влажности.
Показано, что во всех природных и биоинженерных конструкциях шелка в качестве формирующих элементов структуры следует рассматривать упорядоченные пачки b-складчатых полипептидных цепей, соединенных водородными связями, например, b-barrel – мотив третичной структуры, характерный для многих кристаллических белков. Наноструктуры различных конструкций шелка различаются характером упаковки формирующих пачек – от линейной до хаотической [3].
Рентгенофлуоресцентным методом показано, что минерализация коконов, обусловленная наличием широкого спектра элементного содержания (Al, Si, P, Cl, K, Ca, Ti, Fe, Cu, Zn, Rb), основным элементом является кальций.
Проведены измерения механических характеристик образцов шелка (упругость, максимальное удлинение, прочность). Обнаружена значительная дисперсия в изменении механических параметров различных природных и инженерных конструкций шелка. Так, значение упругости нитей для природного шелка, продуцируемого гусеницей - около 10 ГПа, после технологической обработки нити в текстильной промышленности - около 2 ГПа, и всего только 0.001 ГПа для скефолдов - биоинженерных конструкций на основе шелка.
Самостоятельной задачей было рентгендифракционное исследование эпителиальной ткани шелковой гланды шелкопряда Antheraea mylitta – уникального парного органа внутренней секреции, в которой в финальной стадии метаморфозы продуцируются белки шелка. Малоугловые рентгенограммы всех отделов гланды (anterior, middle, posterior) характерны для эпителиальных тканей; в диапазоне 1-5 нм демонстрируют несколько дебаевских колец с основным периодом идентичности 4.85(± 0.15) нм, что было нами ранее – при изучении эпителиальных тканей животных – атрибутировано к протеогликановым структурам межклеточного матрикса [4].
Функциональные особенности природных и инженерных конструкций шелка рассматриваются на основе современных представлений о структурно-механических свойствах, присущих композитным материалам (упругость, износостойкость, прочность и др.). На наш взгляд, композиты на основе природного шелка в силу его высокой прочности, биосовместимости и биодеградабельности, могут быть уникальным материалом, пригодным для биотехнологических и медицинских целей.
Работы выполняются при поддержке гранта РФФИ № 11-02-00706.
1. , , и др. III Евразийский конгресс по медицинской физике и наноинженерии «Медицинская физика - 2010», Москва, 2010, т. 1, с. 200-202.
2. . Дифракция рентгеновых лучей на цепных молекулах. М.: 1963.
3. , , и др. Международная научно-техническая конференция «Нанотехнологии функциональных материалов НФМ-2010», Санкт-Петербург, 2010, с. 539-541.
4. A. A. Vazina, N. F. Lanina, A. A. Vasilieva et al. Nuclear Instruments and Methods in Phys. Res., 2009, A 603, 90-94.
structural and mechanical study of natural and biotechnological silk constructions
Vazina A. A.1,2, Vasilieva A. A. 1, Zabelin A. V. 2, Lanina N. F. 1, Korneev V. N. 3, Kupriyanova T. A. 4,
Stepanova V. V. 2, Kundu S. C. 5
1 Institute of Theoretical and Experimental Biophysics, RAS, Pushchino
2 National Research Center “Kurchatov Institute”, Moscow
3 Institute of Cell Biophysics, RAS, Pushchino
4 Institute of General and Inorganic Chemistry, RAS, Moscow
5 Indian Institute of Technology, Department of Biotechnology, Kharagpur, India
The work is devoted to comparative research of structurally-mechanical characteristics of various natural and engineering silk SAXS/WAXS methods using synchrotron radiation there are carried out the researches of various natural constructions of silk: the fibers of silk generated in a silk gland; silk fibres directly from a silkworm during spinning; textile samples of silk threads, and also bioengineering constructions (scaffolds) on the basis of silk. X-ray fluorescent study of element contains in silk samples of elements from Al up to Rb. Measurements of mechanical characteristics of samples of silk (elasticity, the maximum lengthening, durability) are carried out. We consider natural silk constructions as a composite material in which same polypeptide chains play a role and matrixes, and reinforcing substance, causing diffraction in the wide and small angles and providing a wide spectrum of structurally-mechanical properties and other thermodynamic parameters inherent to composite materials. In our opinion, composites on the basis of natural silk owing to its high durability, biocompatibility and biodegradation, can be a unique material, suitable for the biotechnological and medical purposes.
