Биохимия

Как человеку с нестандартными габаритами (а-ля швабра с ушками), я прекрасно знаю, как порой сложно подобрать какой-либо элемент гардероба нужного размера. Видимо кто-то из ученых Гарвардского университета также сталкивался с подобной житейской проблемой, потому как в недавнем своем исследовании они описывают новый тип материала, обладающий памятью формы. Основой данного новшества является белок, который легко найти в волосах, ногтях и коже, кератин. Как именно был использован любимец маркетологов производителей косметики, на какие метаморфозы способен новый материал, и какие варианты применения материала-метаморфа? Для получения ответов на эти опросы нырнем в доклад ученых. Поехали.

Основа исследования

На протяжении последних нескольких лет интерес к материалам, способным запоминать определенные формы, заданные во время производства, значительно возрос. Применяться такие материалы могут в медицине, строительной и аэрокосмической промышленностях и т.д. Однако, как заявляют сами ученые, степень интереса к такого рода разработкам нельзя приравнивать к степени имеющейся информации о них. Другими словами, у таких материалов пока еще много нераскрытых секретов.

Материалы-метаморфы чаще всего ассоциируют с синтетическими веществами, однако подобными свойствами обладают и природные структуры, что обусловлено структурной метастабильности вторичных структур белков. К примеру, известно, что кератиновые -спирали, расположенные в виде спиральной катушки, претерпевают непрерывный структурный переход в метастабильные -листы, когда нагрузка прилагается вдоль их продольной оси. В зависимости от вида -кератина этот процесс может быть необратимым или обратимым, причем во втором случае он напоминает мартенситный* механизм памяти формы металлических сплавов.

Мартенситное превращение* полиморфное превращение, при котором изменение взаимного расположения атомов (или молекул) кристалла происходит путем их упорядоченного перемещения.

В биологических материалах (кожа животных, например) такой механизм преобразования обусловлен необходимостью в защите и физиологическом функционировании в ответ на внешний раздражитель.

В данном труде ученые старались реализовать обратимый переход кератина от -спирали к -листу. По их мнению именно этот процесс является основным механизмом создания высокотехнологичного наноструктурированного материала с памятью формы, который использует гидратацию в качестве спускового механизма и по своей природе является биосовместимым и биоразлагаемым.

Результаты исследования

Изображение 1

В волосах животных индуцированный деформацией переход от -спирали к -листу возможен из-за парной конфигурации -спиралей в архитектуру спиральная катушка* (1а).

Спиральная катушка* (Coiled coil) структурный мотив белков, когда от 2 до 7 альфа-спиралей переплетаются как пряди веревки.

Спиральные катушки иерархически самоорганизуются в анизотропную фибриллярную структуру, которая варьируется от протофибрилл* до макрофибрилл*, что обеспечивает непрерывность механической трансформации во всех пространственных масштабах.

Протофибриллы* тончайшие белковые нити, которые составляют основную массу миофибрилл.

Миофибриллы* сократимые нити в протоплазме поперечнополосатых мышечных волокон скелетной мускулатуры, сердечной мышцы и мышц с двойной косой исчерченностью.

В данном исследовании фибриллярный кератин был извлечен из ангорской шерсти с использованием бромида лития (LiBr) соли, которая может вызвать обратимый фазовый переход кристаллического кератина в воде из твердого состояния в жидкое.

Другим требованием для высвобождения волокнистого кератина из структуры волос является разрушение плотной дисульфидной сети компонента матрицы волоса. Это было достигнуто с использованием 1.4-дитиотреитола (DTT, C₄H₁₀O₂S₂), который способен расщеплять дисульфидную связь с образованием двух сульфгидрильных фрагментов. Данная реакция обратима в условиях окисления, что позволяет восстановить природные дисульфидные мостики во время изготовления материала.

Затем кератин был успешно извлечен путем обработки шерсти водным раствором LiBr и DTT при высокой температуре (1b). При комнатной температуре кератин был окончательно изолирован посредством разделения жидкой фазы, что позволило создать высококонцентрированный раствор кератина, срок хранения которого составляет несколько недель в случае отсутствия кислорода.

Также были проведены Рамановская спектроскопия и круговой дихроизм, которые подтвердили наличие спиральных катушек -спиралей. Доказательства иерархической структуры кератина вплоть до протофибриллярного уровня были подтверждены криогенной просвечивающей электронной микроскопией (крио-ПЭМ). Во время микроскопии было установлено, что длина узлов находится в пределах нескольких микрометров, а ширина около 10 нм (1с), что полностью соответствует структурным особенностям промежуточных волокон. Также удалось установить, что иерархическая структура промежуточных филаментов состоит из упакованных протофибрилл с постоянной шириной ~ 3 нм.

Реализация иерархической архитектуры кератина, которая сможет обеспечить дальнее упорядочение исполнительных единиц -спирали, требует наложения анизотропного выравнивания протофибрилл в процессе изготовления. Было обнаружено, что кератиновые протофибриллы самоорганизуются в нематическую кристаллическую фазу под действием напряжения сдвига и пространственных ограничений. Этот факт был установлен за счет наблюдения анизотропной природы рассеяния синхротронных рентгеновских лучей, которая была получена из образца раствора кератина (401.7 мг/мл), приготовленного в кварцевом капилляре (1d).

Во время анализа капилляр располагался перпендикулярно пучку рентгеновских лучей, а его продольная ось была параллельна меридиональной оси детектора. Экваториальный характер рассеяния предполагает, что кератиновые домены были преимущественно ориентированы параллельно оси капилляра (вставка на 1d). Среднее расстояние между кератиновыми доменами связано с параметром размера решетки (d), который получается из максимальной интенсивности модуля вектора рассеяния (q): d = 2 / q.

Ученые предполагают, что нематическая упорядоченность кератинового протофиламента* является результатом напряжения сдвига, которое создается на стенке капилляра во время подготовки образца, а также результатом дальнейшей стабилизации за счет ограниченного пространства.

Протофиламенты* нитевидные белковые структуры, являющиеся строительными элементами микротрубочок (белковые внутриклеточные структуры, входящие в состав каркаса клетки).

В таком случае ожидается, что повышенная жесткость и самосборка кератиновых протофибрилл приведет к более высокой степени упорядоченности нематической (нитевидной) фазы. Контроль над самоорганизацией кератиновой жидкокристаллической фазы был достигнут за счет стимулирования взаимодействий типа белок-белок посредством эффекта экранирования заряда. Ввиду наличия катионов лития, которые абсорбируются на поверхности белка, кератин будет иметь чистый положительный заряд. А фосфатный анион был использован, так как обладает высоким экранирующим эффектом по отношению к положительно заряженным поверхностям (1e).

Добавление дигидрофосфата натрия (NaH₂PO₄) вызывало уплотнение упаковки нематической фазы кератина, на что указывает сдвиг пика в сторону более высокого значения q (1f).

При добавлении космотропной* соли также наблюдалось сужение экваториальной картины рассеяния и, как следствие, обострение пика рассеяния, что указывает на усиление выравнивания кератинового домена вдоль оси капилляра (1g).

Космотропными* называют сорастворители, если они способствуют стабильности и структуре взаимодействий вода-вода. Космотропы вызывают усиление взаимодействия молекул воды, что также стабилизирует внутримолекулярные взаимодействия в макромолекулах, таких как белки.

При увеличении концентрации NaH₂PO₄ агрегация протофибрилл вызывает увеличение вязкости белкового раствора при низких скоростях сдвига (1h). Однако при увеличении скорости сдвига выравнивание протофибрилл кератина вызывает внезапное уменьшение вязкости, что придает раствору белка выраженную псевдопластичность*.

Псевдопластичность* возникает, когда вязкость жидкости уменьшается при увеличении напряжения сдвига.

При концентрации NaH₂PO₄ в 40 мМ и концентрации протофиламентов 401.7 мг/мл кератиновый допант демонстрирует вязкоупругие свойства. Это хорошая новость для исследователей, поскольку волокна можно формировать напрямую, просто вытягивая белок пинцетом (1i). Если же снизить концентрацию NaH₂PO₄, то раствор кератина теряет вязкоупругие свойства и не может образовывать волокна непосредственно из раствора.

Как отмечают ученые, выравнивание кератиновых -спиралей вдоль оси волокна является критерием проектирования, обеспечивающим высокую прочность и высокую степень фиксации волокон. Когда оси -спирали параллельны вектору натяжения, может быть получено максимальное раскручивание -спиралей, что позволяет увеличить деформацию материала до разрушения из-за пластической деформации и реорганизации.


Изображение 2

Водный раствор NaH₂PO₄ был использован в качестве антирастворителя, что позволило достичь внешней диффузии LiBr из экструдированного кератинового допанта и дальнейшей самосборки белка за счет эффекта экранирования заряда (2а). Восстановление дисульфидной ковалентной сети стало возможным благодаря окислительной активности пероксида водорода (H₂O₂) в отношении тиоловой группы цистеина. Высокая концентрация белка в прядильном растворе придает волокну прочность во время процесса коагуляции, что обеспечивает гибкий и надежный процесс прядения.

В результате можно получить длинные и прочные волокна (2b), а высокая скорость производства позволяет достичь волокон диаметром 10 мкм.

Нематическая фазовая организация кератиновых протофибрилл приводит к процессу фибрилляции, который генерирует иерархически структурированные и анизотропные волокна. Растровый электронный микроскоп показал, что одно волокно состоит из непрерывных фибрилл, длина которых составляет не менее нескольких десятков микрометров (2b). Также было замечено, что фибриллы диаметром 50 нм являются сердцевиной полученного волокна (2d).

Поляризационная оптическая микроскопия подтвердила анизотропный характер сердцевины волокна, что было установлено наблюдением двойного лучепреломления с максимальной интенсивностью проходящего света под углом 45 (2e).

То, что структура спиральной катушки имеет анизотропную архитектуру, было установлено с помощью широкоугольного рентгеновского рассеяния (WAXS от wide-angle X-ray scattering). Двумерный профиль рассеяния показывает характерное экваториальное отражение при 9.65 , что соответствует расстоянию между осями соседних -спиралей (2g). Одномерный анализ вдоль оси меридиана показывает наличие характерных меридиональных (при 5.15 ) и внемеридиональных (5.05 ) отражений, которые соответствуют проекции шага -спирали (2h).

Также было установлено, что максимум смещен в сторону более высоких значений q, т.е. имеются развернутые пептидные цепи, ориентированные параллельно оси волокна и, вероятно, образующие конформацию -слоя (2i).


Изображение 3

На следующем этапе исследования было проведено изучение волокон с памятью формы, которые реагируют на гидратацию.

Эффект памяти формы сконструированных кератиновых волокон основан на обратимом разматывании -спирали и на формировании метастабильных -листов при одноосной деформации (3a).

Испытания на растяжение, проведенные на индивидуальных кератиновых волокнах, подтвердили наличие этого механизма. Было установлено начальное упругое состояние до ~ 5% деформации (модуль Юнга = 4.18 0.10 ГПа). Далее следует область, которая характеризуется постоянным пределом текучести (96.1 3.1 МПа) (3b). Эта реакция соответствует процессу развертывания -спирали.

По мере дальнейшего увеличения напряжения развернутые и удлиненные пептидные цепи кератина стабилизируются в своей вытянутой геометрии путем сборки в -слои (3c). Эта область формирования -листа характеризуется деформационным упрочнением при деформации ~ 50%, так как приложенная нагрузка не только рассеивается за счет разрушения свернутых в спираль катушек, но также переносится растяжением -листов. Когда нагрузка снимается при стопроцентной деформации (предел прочности на разрыв 137,18 1,03 МПа), волокно демонстрирует пластическую деформацию (~ 85%), которая согласуется с преобразованием кератиновых развернутых цепей в новые метастабильные -листы. Механические свойства полученных кератиновых волокон полностью соответствуют таковым у натуральной шерсти.

Важно отметить, что в ненапряженных волокнах также присутствует незначительная доля -листов (3d), однако при стопроцентной деформации наблюдается значительное увеличение компонента -листов. Проведенный WAXS анализ подтвердил наличие перехода от -спирали к -слою, индуцированного деформацией (3e).

В растянутом волокне -листы кинетически стабильны из-за наличия сети водородных связей, которая препятствует их обратному превращению в более термодинамически стабильные -спирали. Именно это свойство позволяет создать систему с циклом памяти формы, в котором сеть водородных связей выполняет роль блокирующего механизма для обеспечения фиксации деформированной формы.

В ходе опытов роль стимула, способствующего деформации волокна и восстановлению исходной формы, сыграла вода (3f). Методика была протестирована на пучке кератиновых волокон одинакового диаметра (3g и видео ниже).


Демонстрация памяти формы на примере отдельных волокон.

Сначала пучок волокон гидратировали в деионизированной воде в течение нескольких секунд (состояние A), потом растягивали вручную на воздухе, пока еще во влажном состоянии (состояние B), а затем выдерживали под нагрузкой при комнатной температуре в течение 10 минут, чтобы дать волокнам высохнуть (состояние C).

После удаления грузиков, что позволило волокнам перейти в расслабленное состояние, не наблюдалось видимого или заметного изменения длины между растянутой и расслабленной формами (состояние D).

Если же к полученным волокнам вновь применить воду (посредством распыления), то наблюдается сокращение волокон до их исходной длины в течение нескольких секунд (состояние A).

Использование воды в происходящих метаморфозах значительно облегчает процесс перестройки структуры белка. На это указывает общее снижение растягивающего напряжения (3h) и более постепенный переход между состояниями волокон.

Когда волокно высыхает под нагрузкой, на образование -листов указывает резкое увеличение напряжения, соответствующее усилению жесткости волокон, которое можно измерить с течением времени по мере обезвоживания волокон и образования водородных связей (3i).

Полученный материал за счет дальнего упорядочения своей фибриллярной структуры в сухом состоянии демонстрирует предел прочности на разрыв (137.18 1.03 МПа) и модуль Юнга (4.18 0.10 ГПа), что значительно лучше, чем у ранее разработанных прототипов. При гидратации прочность на разрыв составляет 14.94 0.46 МПа, что также значительно превосходит другие разработанные материалы.

Помимо свойств и характеристик у разработанного материала есть еще одно превосходство над конкурентами возможность его применения в 3D-печати.


Изображение 4

Базовые геометрические формы могут быть получены путем экструзии белкового допанта в гидрогель, который служит как поддерживающая и коагуляционная ванна (4а). Свойства кератина позволяют использовать иглы малого размера, что позволяет создавать структуры в масштабе примерно 50 мкм (4b).

Выравнивание протофибрилл кератина следует по пути экструзии при 3D-печати и, следовательно, приводит к высокоупорядоченным архитектурам, которые характеризуются внутренней структурной иерархией от молекулярного до макроскопического уровня (4c).

После того как желаемый образец был напечатан на 3D-принтере, необходимо достичь фиксации постоянной формы. Для этого необходимо образование дисульфидных мостиков за счет окисления, вызванного H²O². До процесса окисления образцами все же можно манипулировать, меняя их форму, ввиду пластичности.

Например, во время тестов из напечатанного листа была вручную изготовлена звезда (оригами), которая в дальнейшем прошла этап фиксации формы посредством окисления в H²O² и NaH₂PO₄ (4d). Следовательно, нет необходимости сразу печатать нужную форму, ее можно сделать после печати и перед этапом фиксации (4e).


Демонстрация памяти формы на примере напечатанного образца.

Как и волокна, протестированные ранее, напечатанные фигурки обладают теми же чувствительными к влаге свойствами памяти формы. По словам ученых, архитектура оригами в форме звезды была выбрана для демонстрации эффективности механизма памяти формы при выполнении довольно сложных геометрических преобразований.

При гидратации напечатанная на 3D-принтере модель оригами податлива и может быть развернута и произвольно преобразована, например, в свернутую трубку (слева на 4f). По мере высыхания квадратный лист теряет пластичность и фиксируется в своей новой временной форме. Восстановление звездообразной архитектуры оригами затем запускается регидратацией, которая происходит в течение нескольких секунд из-за высокого отношения поверхности к объему, вызывающего быстрое воздействие воды на кератин (справа на 4f). Другими словами, напечатанный лист сначала разворачивается до своей предыдущей конфигурации, а затем самостоятельно складывается в форму звезды.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В данном труде ученые продемонстрировали новый тип материала, обладающего памятью формы, активизирующейся посредством контакта с водой. Основой процесса самопроизвольного преобразования одной заданной формы в другую является переход -спиралей кератина в -листы.

Полученный материал возможно использовать в 3D-печати, при этом можно изначально задавать нужную форму или сделать это после печати обычного листа. Изменение формы после печати возможно за счет пластичности полученного образца, форма которого может быть зафиксирована уже на этапе окисления. Подобный двухэтапный процесс позволяет создавать крайне сложные формы с настраиваемыми структурными особенностями вплоть до микронного уровня.

Авторы сего исследования говорят, что спектр применения их разработки достаточно велик. Материалы с памятью формы могут быль использованы как в легкой промышленности (например, футболка, которая меняет размер по вашему желанию), так и в медицине (активирующие ткани).

Результаты экспериментов достаточно хороши, однако ученые намерены и дальше проводить опыты, ибо материалы, архитектура которых может меняться в зависимости от внешнего воздействия и по желанию человека, являются весьма любопытным объектом для изучения.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Технологические достижения начала XXI века, в частности, расшифровка генома человека и общее понимание принципов редактирования генома, вполне естественно побуждают сравнивать синтетическую биологию с программированием. Действительно, онтогенез и биохимия во многом сравнимы с программируемыми процессами, так как подчиняются внутренней логике, выполняются пошагово, зависят от контекста, реагируют на внешнее вмешательство (редактируются). Соблазнительно сравнить четырехбуквенный код ДНК с двоичным машинным кодом.

Тем не менее, в этой статье мы предположим, что такие аналогии являются более смелыми, чем точными, и попробуем рассмотреть, почему ДНК может считаться субстратом для полноценного генетического программирования, но сама по себе достаточно далека от языка программирования и языка как такового.

ДНК является матрицей для синтеза белков и, в конечном итоге, предназначена для передачи генетического материала от поколения к поколению. Таким образом, генетический код может считаться работоспособным, если позволит носителю оставить многочисленное плодовитое потомство, которое при этом окажется не менее или более жизнеспособным, чем представители родительского поколения. Это задача, которая сформулирована достаточно широко, поэтому эволюция при всей успешности является багородным начинанием и обременяет своих детищ огромной базой унаследованного, закомментированного и нещадно сбоящего кода.

Синтетическая биология, в свою очередь, ставит перед собой значительно более четко очерченные цели, чем эволюция. Например, серьезнейшая область применения технологии CRISPR связана с противоопухолевыми разработками, притом, что сами раковые клетки являются плодом неизбирательного естественного отбора отбор поддерживает их, поскольку им удается эффективно и быстро оставлять потомство, а также мимикрировать под здоровые клетки пораженной ткани.

Код ДНК более подобен естественному языку, нежели языку программирования, так как избыточен, быстро накапливает ошибки, полон сложных зависимостей, которые обусловлены контекстом развития организма, и вред или полезность этих зависимостей не всегда очевидны.

Широко известен пример с серповидноклеточной анемией наследственным заболеванием, в результате которого человеческий эритроцит приобретает неправильную форму и оказывается в большей степени похож на полумесяц, нежели на пончик.



Предполагается, что эритроцит неправильной формы затрудняет протекание малярии и неудобен для проживания малярийных плазмодиев, благодаря чему носитель данного заболевания получает лишний шанс дожить до репродуктивного возраста, и лишь потом умереть от инфаркта. В зависимости от условий проживания и возраста индивида перед нами и баг, и фича в одном кодоне.

При тестировании in vivo таких генетических модификаций естественный отбор не был стеснен сроками и требованиями к качеству, а скорее развивался в условиях, многие из которых можно сравнить с DDD. Продолжая аналогию с кровеносной системой, можно назвать предметно-ориентированным решением голубую кровь головоногих моллюсков. В качестве металла, аналогичного железу, в крови осьминога содержится медь. Согласно новейшим исследованиям, такая эволюционная находка оптимизирует насыщение крови кислородом в холодной воде и при низкой концентрации кислорода как такового.

Если же представить себе тестирование реальных биотехнологических разработок in vivo так, как тестируется программный код, здесь экстраполяция наталкивается на явные нестыковки и сложности, о которых, в частности, сказано в статье Брюса Шнайера и Ларисы Руденко:

Представьте себе биотехнолога, который пытается нарастить экспрессию гена, обеспечивающего нормальное воспроизведение клеток крови. Хотя, по нынешним стандартам эта операция весьма проста, почти наверняка успех будет достигнут не с первой попытки. В случае софтверного кода весь ущерб, который был бы нанесен таким кодом это аварийное завершение программы, в которой он работает. В биологии же такой ошибочный код мог бы значительно повысить вероятность возникновения разнообразных лейкемий и уничтожить жизненно важные клетки иммунной системы.

Также авторы делают следующее немаловажное замечание:

В отличие от программного обеспечения, биологические системы невозможно пропатчить после того, как они отправлены в свободное плавание, хотя, исследователи и пытаются разработать такие патчи. Также отсутствует возможность пропатчить растения или животных, которые могут оказаться уязвимы перед такими синтетическими организмами. На этапе тестирования могли бы помочь строгие меры по предотвращению утечек биоматериала, но ни одна такая система не сводит риски к нулю.

Аналогично, очень сложно представить себе кроссплатформенный генетический код, который работал бы, например, и на Земле, и на Марсе. ДНК, значительная часть которой является некодирующей, очевидно обладает значительной информационной избыточностью, но при этом, как правило, не подходит для биохимической перенастройки для работы на других планетах или даже в условиях, комфортных для экстремофилов на Земле. Экстремофилы же, в свою очередь, смогли выжить на Земле в условиях, приближенных к марсианским.

Таким образом, значительная адаптация генетического кода к принципиально неблагоприятным условиям имеет место лишь на периферии биохимии, а для большинства экстремофилов губительны и типичные земные экосистемы.

Интересно, что еще Станислав Лем в Сумме технологии затрагивал важнейший аспект биологической информации ее серьезнейшую обусловленность контекстом развития организма:

Знак предполагает существование информации (он является элементом ее кода), информация же существует только тогда, когда имеется ее адресат. Известно, кто является адресатом Гамлета Но кто является адресатом хромосомной информации, содержащейся в яйце крокодила? Зрелый организм не является им, он представляет собой лишь некую позднейшую стадию передаваемого сообщения. Этот организм в свою очередь обладает адресатом; но где? Ни на Луне, ни на Сатурне крокодилы жить не могут; они могут жить только в реке с болотистыми берегами, воды которой дают им пищу; здесь же, найдя партнеров, они могут размножаться. Следовательно, адресатом генетической информации крокодила является именно данный район вместе со всей популяцией данного вида и другими организмами, поедаемыми им или поедающими его; короче: получателем генетической информации особи служит ее биогеоценотическое окружение.

Наконец, известно, что и четыре нуклеотида, составляющие молекулу ДНК, не являются единственно возможными. Уже созданы синтетические нуклеотиды, увеличивающие емкость генетического кода, а также синтетическая бактерия, способная производить аминокислоту, отсутствующую в других живых организмах.

Соответственно, ДНК отчасти может быть сравнима с машинным кодом, о чем на Хабре уже писали, но от исходного кода в значительной степени отличается, прежде всего, своей избыточностью, непредсказуемостью и предметно-ориентированностью. Поэтому совершенно логичным выглядит феномен технологии Cello, позволяющей транслировать исходный код в нуклеотидные последовательности ДНК. Желающие могут ознакомиться с репозиторием Cello на Github (используется язык Verilog).

Таким образом, аналогии ДНК с машинным кодом весьма условны, а аналогии с исходным кодом пока представляются неубедительными. ДНК в значительно большей степени напоминает естественный язык для общения живого организма с окружающей средой. Но значительная упорядоченность и расширяемость алфавита ДНК вполне располагают к созданию полноценного языка программирования на ее основе, а, возможно, и к созданию компиляторов. Возможно, такой язык будет сопоставим с ДНК как Java или Python сопоставимы с английским, либо заимствует из ДНК синтаксис, но частично или полностью изменит семантику кодонов. Кроме того, учитывая сказанное выше, полноценный биологический язык программирования должен обладать функцией self-healing и, возможно, гораздо большим потенциалом к снижению энтропии, чем присущ биологической жизни. Генетический код, реализованный в биосфере Земли, чрезвычайно интересен в качестве носителя информации и, скорее всего, при некоторой доработке и увеличении абстракции сможет поспорить в точности с низкоуровневым языком программирования.

Остается до этого дожить.

Когда-то давным-давно, после публикации статьи посвященной лампе Вуда (см. gReebok detected. Сам себе дерматовенеролог), я анонсировал борьбу с борщевиком. Потом периодически то в телеграм-канале, то в патреоне читатели у меня спрашивали на предмет этого ненароком брошенного бороться. Вот на улице весна и кое-где главный ворог православного народа начал показываться из-под земли. А значит, самое время описать свое видение того, а надо ли бороться вообще и только ли с борщевиком.

Если хочется узнать почему петрушка/укроп/лайм/бабушкин фикус не менее токсичны (?) чем борщевик Сосновского, как с помощью компонентов борщевика за пару дней стать негром или вылечить рак и облысение добро пожаловать под кат!

Про вечную борьбу

Нам говорили, что мы должны победить. Кого? Атом? Физику? Космос? Победа у нас не событие, а процесс. Жизнь борьба. Отсюда такая любовь к наводнениям, пожарам Землетрясениям Нужно место действия, чтобы проявить мужество и героизм. И водрузить знамя.
С.Алексиевич

Беларусь (точнее беларуская чиновьичья рать), если что, борщевик уже успешно на бумаге поборола. И сразу же на первый план у нас вышла борьба с золотарником канадским (а на очереди бешеный огурец). Ну а так как мне всегда, сколько себя помню, было интересно всегда выслушать альтернативное мнение о любом событии (в пику мнению общепринятому), то и про борщевик нужно это мнение сформировать. Ибо несчастный борщевик успел поклеймить даже ленивый (=тот, кто никогда его и в глаза не видел). Так что сегодня про то, что не всякий борщевик = фототоксин, и не всякий фототоксин = борщевик.

В черноламповой статье я упомянул про то, что с помощью лампы Вуда можно по флуоресценции определить некоторые органические соединения, вроде фуранокумаринов борщевика. В этой статье я хочу тему эту немного раскрыть и осветить подробнее такое явление как фитофотодерматит и фототоксичные растения.

ФитоФотоДерматиты

Фитофотодерматит-один из видов фотодерматоза, кожный воспалительный процесс, обусловленный повышенной чувствительностью кожи к солнечному свету, вызванной попаданием на кожу сока некоторых растений, содержащих фотосенсибилизирующие соединения (вещества, повышающие чувствительность кожи к свету).

Наверное каждый читатель хоть раз в жизни с таким явлением встречался, но скорее всего не каждый связывал это с растениями. Фитофотодерматоз начинается тогда, когда на кожу попадает сок нужного растения. Ответная реакция организма проявляется в течение 24 часов после воздействия и достигает пика через 4872 часа после воздействия. Сначала кожа становится красной, начинает чесаться и жечь. Волдыри ожогов образуются в течение 48 часов. В качестве напоминания после волдырей могут оставаться разноцветные шрамы, сохраняющиеся на коже в течение нескольких лет. Фактически, это гиперпигментация кожи (локальная повышенная выработка меланина), которая вызвана действитем фотосенсебилизаторов. Также в некоторых газетах иногда проскакивали заметки про то, что сок борщевика вызывал слепоту, клинические исследования этого не подтвердили. Я также никогда не встречал информации о том, что кто-то навсегда ослеп после попадания сока в глаза.

По сути, фотодерматоз от растений, это воспаление кожи вызванное растительными фуранокумаринами, которых, в принципе, не так то и много.

Фуранокумарины (фурокумарины)-класс кислородсодержащих гетероциклических соединений в которых фурановый цикл конденсирован с бензольным циклом кумаринового ядра линейно (производные псоралена) или ангулярно (производные ангелицина и аллопсоралена)

На картинке ниже показаны представители упомянутых групп, с краткими обозначениями. Обозначения понадобятся, чтобы прикинуть в каком фрукте/овоще какой фуранокумарин и насколько он опасен.


Поглощая кванты ультрафиолетового излучения (длинноволнового ультрафиолета с длиной волны 320380 нм), молекулы растительных фотосенсибилизаторов переходят в возбужденное состояние и в таком виде способны реагировать с биологически важными клеточными компонентами, содержащими двойную связь (например, азотистые основания ДНК в эпителии клеток кожи). Механизм этого процесса следующий: фурокумарины проникают между парами азотистых оснований ДНК с образованием нековалентного комплекса фурокумарин-ДНК. Действие УФ излучения на фурокумарины (как псораленового, так и ангелицинового ряда) приводит к образованию ковалентных аддуктов.

Аддукт (лат. adducto созданный, приведённый) продукт прямого присоединения молекул друг к другу в химической реакции, химическое соединение AB, образующееся в результате взаимодействия соединений A и B, при котором не происходит какого-либо отщепления фрагментов. Возможно образование аддуктов в стехиометрическом отношении 1:1 (моноаддукт), или в других отношениях (например, бис-аддукты в отношении 2:1). Часто еще встречается словосочетание ДНК-аддукт соединение какой-либо молекулы с ДНК. Образование ДНК-аддуктов в организме часто происходит под действием канцерогенов, их метаболитов, либо провоцируется канцерогенами, и ведёт к изменению структуры, невозможности правильного протекания процессов транскрипции ДНК и мутациям.

На рисунке ниже показана химическая структура одного из таких аддуктов на примере нуклеинового основания тимина.


Некоторые из моноаддуктов линейных псораленов (псорален и бергаптен) могут подвергаться еще одному циклу сшивки с ДНК при облучении ультрафиолетом UVA. Моноаддукты ангулярных фуранокумаринов (ангелицин и т.п.) во вторичную сшивку не вступают из-за своей разветвленной структуры.

Помимо повреждения ДНК, ультрафиолетовое излучение может вызывать генерацию синглетного кислорода как из свободных фурокумаринов, так и из их комплексов. Далее этот кислород атакует мембранные липиды и ферменты. Кроме того, в результате взаимодействия синглетного кислорода с бергаптеном образуются долгоживущие реакционноспособные соединения, которые ковалентно связываются с белками/ДНК и вызывают перекисное окисление липидов, повреждение лизосом и образование новых антигенов (из-за ковалентной модификации белков).

В борщевиках (Сосновского, Монтегоцци и т.п.) основная фуранокумариновая ударная группа состоит из трех основных бойцов:


Вроде бы, с одной стороны, все как пишут в интернетах Свежачок с западного побережья. Крутой как ботулизм(С). Тройка фурокумаринов вызывают быстроразвивающиеся фитодерматозы, благодаря им формируются огромные волдыри и долгоиграющие шрамы. Плюс ко всему еще и канцерогены, что мама не горюй. Метоксален (ксантотоксин) считается концерогеном 1 класса опасности (по классификации Международного агентства по исследованию рака). Бергаптен возможно вызывает рак у людей (и точно вызывает рак у животных). Псорален клейма ставить негде, является сенсибилизирующим, мутагенным, канцерогенным и обладает ко всему репродуктивной токсичностью. Не вещества, а один сплошной предупреждающий знак:


Логично, что увидев фразу концероген абсолютное большинство людей не станет разбираться, в какой форме вещество канцерогенно, каков механизм его действия и т.д. и т.п. А вот и зря, потому что для тех же фурокумаринов обязательное условие появления канцерогенных свойств это присутствие длинноволнового УФ излучения (UVA).

Поэтому не удивительно, что фурокумарины были поставлены на службу человека. Например, тот же метоксален (ксантотоксин) выпускается в виде отдельного медпрепарата (Oxsoralen, Deltasoralen, Meladinine) используемого для лечения (?) псориаза, экземы, витилиго и некоторых кожных лимфом в т.н. PUVA (псорален + UVA ) терапии. Бергаптен также используется для лечения расстройств пигментации (витилиго/нейродермия, псориаз и т.п.), чаще в составе PUVA-терапии. Вещество способно выравнивать пигментацию кожи, но результаты очень разнятся от чувствительности кожи, дозировки препарата и т.п. При использования в качестве лекарственного фотосенсебилизатора, бергаптен безопаснее двух остальных фурокумаринов и не дает неприятных побочных эффектов (зуд, аритмия, тошнота и т.п.). Кроме устранения проблем с пигментацией, бергаптен может использоваться для повышения устойчивости к солнечному излучению у людей с очень чувствительной к загару кожей. Кстати, фурокумарины (в основном, псорален) активно использовались в качестве активаторов загара в солнцезащитных кремах до 1996 года, хотя их фотоканцерогенные свойства были известны давным-давно.

Интересный факт. В свое время один американский писатель Джон Говард Гриффин использовал метоксален для того, чтобы написать книгу (Черный как я) о расовой сегрегации на юге США.


PUVA терапия (фуранокумарин+15 часов в день под лампой Вуда) позволили так загореть, что писателя перестали узнавать даже друзья. По мотивам книги позднее был даже снять одноименный фильм.


Существуют работы, в которых бергаптен рассматривается как профилактическое лекарство для онкологических заболеваний кожи, связанных с солнечным облучением (кератозы и т.п., смотреть статью или спрашивать в телеграм-канале). Псорален наряду с другими фурокумаринами входит в состав препаратов для наружного и внутреннего применения, используемых при лечении витилиго и гнездной очаговой алопеции~облысения. Препараты для лечения облысения чаще всего содержат псорален и бергаптен из листьев инжира). Лечение проводится в рамках PUVA-терапии. Биологически активные продукты фотоокисления псоралена обладают иммуномодулирующим действием.

Я множество раз упомянул аббревиатуру PUVA, поэтому просто необходимо остановится на ней подробнее.

Про фотодинамическую (в т.ч. PUVA) терапию...

Существует в медицине такое понятие, как фотодинамическая терапия. Фотодинамическая терапия это общее название для медицинской процедуры, в которой используются изначально не токсичные светочувствительные соединения, способные избирательно активироваться светом определенной длины волны. После активации такие соединения нацеливаются на раковые и другие клетки и их уничтожают. PUVA-терапию часто относят к подмножеству фотодинамической терапии, а иногда отделяют в параллельное направление.

PUVA (= псорален + ультрафиолет А)- терапия представляет собой терапию ультрафиолетовым светом для лечения экземы, псориаза, витилиго, некоторых видов микозов, парапсориаза с крупными бляшками и Т-клеточной лимфомы кожи. В качестве фоточувствительного компонента чаще всего применяется псорален. Псоралены принимаются в виде таблеток (системно) или могут наноситься непосредственно на кожу перед обработкой ультрафиолетом. Наиболее эффективна PUVA при лечении псориаза и витилиго. В случае витилиго, эффект достигается за счет повышения чувствительности меланоцитов к длинноволновому ультрафиолету.

Стоит отметить, что параллельно с PUVA применяется и UVB терапия (меня кстати в канале несколько раз спрашивали про выбор ламп с длиной волны 315 нм для лечения витилиго). По меньшей мере для витилиго, узкополосная UVB фототерапия теперь используется чаще, чем PUVA, поскольку она не требует применения псоралена. Хотя стоит отметит, что узкополосная UVB-терапия менее эффективна для ног и рук по сравнению с лицом и шеей. Для последних все еще предпочтительна PUVA. Для рук и ног PUVA может быть более эффективным. Предположительная причина может быть в том, что UVA проникает глубже в кожу, а меланоциты в коже рук и ног располагаются глубже чем меланоциты на лице. Тот же узкополосный UVB в 311 нм блокируется самым верхним слоем кожи, а UVA 365 нм достигает меланоцитов, находящихся в нижнем слое кожи. Интересующихся вопросом отправляю читать свою раннюю статью Как спастись от зайцев. Инструкция по борьбе с ультрафиолетом, где вопрос проницаемости рассмотрен подробнее.


Интересным применением псоралена, помимо уже упомянутой PUVA (псориаз-экзема-витилиго), является фотохимиотерапия, т.н. фотофорез (или экстракорпоральный фотоферез или ECP), при котором человеку вводится смесь эндогенных лейкоцитов с фурокумаринами и последующей обработкой ультрафиолетом нужной длины волны. Фактически, это комбинация фотодинамической терапии и афереза.

Аферез (от греч. aphaire отнимать, отбирать; aphaircsis отнятие) взятие, извлечение, англ. Apheresis это физический метод получения отдельных компонентов крови или костного мозга, для чего исходный материал извлекается из организма и помещается в центрифугу для разделения компонент (аферезную систему). Метод основан на различии размеров, скорости осаждения на фильтрах и других отличиях при центрифугировании. Метод применяется для коррекции/получения отдельно взятой компоненты с последующим возвратом пациенту/донору откорректированного материала целиком или избирательно.

Фотоферез с участием 8-метоксипсоралена впервые был описан в 1987 году и в настоящее время является стандартной терапией, одобренной FDA для лечения кожной Т-клеточной лимфомы. Фотоферез также успешно использовался при лечении приобретенного буллезного эпидермолиза, особенно когда все другие методы лечения не показали неэффективность. Есть упоминания о том, что фотоферез также используется в качестве экспериментального лечения у пациентов с отторжением аллотрансплантата сердца, легких и почек, некоторыми аутоиммунными заболеваниями, нефрогенным системным фиброзом и язвенным колитом.

---

В общем после описания свойств фурокумаринов становится ясно, какое это грозное оружие. Растения не так беззащитны, как кажутся на первый взгляд. Существуют предположения что фуранокумарины выработались у растений для защиты от хищников в лице растений и травоядных животных, а также как противогрибковый заслон. Линейные фуранокумарины (псорален, бергаптен и метоксален ), которые чаще всего встречаются у растений токсичны для большинства грибов.Фурокумарины являются вторичными растительными метаболитами (фитоалексинами), которые вырабатываются растениями в ответ на нападение вредителей и на стрессовые воздействия.

Я уже писал в своей статье Заметки фитохимика. Банановая шкурка наносит ответный удар про боевую артиллерию растений она же антипитательные вещества. Краткая выдержка под спойлером:

Не борщевиком единым...

Фурокумарины являются естественными составляющими ряда видов растений: зонтичные (Apiaceae), бобовые (Fabaceae), рутовые (Rutaceae) и шелковичные (Moraceae). Концентрации фурокумарина в овощах и фруктах могут значительно отличаться в зависимости от условий выращивания и хранения. Самые высокие концентрации обнаружен в хранящихся образцах сельдерея и пастернака, зараженных микроорганизмами.

Первыми у нас идут представители семейства Зонтичные (Apiaceae) к которому принадлежит великий и ужасный борщевик Сосновского (и другие боршевики, а также дикий сельдерей, дудник, которого наверное видел любой, кто хоть раз выбирался в лес, пастернак луговой, пастернак водяной (Sium suave) и т.д.). Из привычных нам огородных представителей можно вспомнить сельдерей (Apium graveolens L.), пастернак (Pastinaca sativa), петрушку (Petroselinum crispum), морковь (Daucus carota L.), анис (Pimpinella ansum), фенхель (Foeniculum vulgare), укроп (Anethum graveolens) в конце концов. Все они содержат в своей зелени фуранокумарины и обладают примерно одинаковым фотосенсебилизирующим эффектом. Вкусные сушеные, но опасные в сыром виде.


В семействе Рутовых (Rutaceae) также имеются представители, содержащие фуранокумарины и обладающие фототоксическим действием. Из дикорастущих растений до наших широт дошла только Рута душистая, которая разводится как декоративный или лекарственный однолетник. И гораздо больший интерес представляют цитрусовые (Citrinae), к которым относятся апельсины (Citrus sinensis L.), лимоны (Citrus limon) и лаймы (Citrus aurantifolia). Многие цитрусовые масла могут содержать значительные количества фурокумаринов, особенно те, которые получены путем холодного отжима кожуры бергамота, апельсина, лайма или грейпфрута. Из них, пожалуй, самым ядреным является лайм.


Фитофотодерматит, связанный с лаймами, иногда в разговорной речи называют болезнью лайма (не путать с болезнью Лайма, которая боррелиоз и вызывается клещем).


Но наиболее же тяжелые реакции (т.н. дерматит Берлока, Berloque Dermatitis) может вызывать эфирное масло апельсина-бергамота (бергамотового апельсина). Все дело в аномальном содержании вещества бергаптена (30003600 мг / кг), которого у сабжа больше чем в любом другом цитрусовом масле.

Ремарка про грейпфрут. Многие наверное знают или хотя бы слышали про то, что лекарства нельзя запивать грейпфрутовым соком. Почему? а разве это важно? бойцом будь за мир отважным!. Почему так интересовались единицы. А дело все в тех же борщевиковцах, в фурокумаринах псораленового ряда. В частности здесь виноват бергамоттин и дигидроксибергамоттин (B и DHP в сводной табличке фурокумаринов). Эти вещества воздействуют на определенные ферменты печени и кишечника, что в свою очередь может либо активировать, либо ингибировать многие лекарства (резко повышать/снижать их уровень в крови). Такие колебания могут угрожать жизни и здоровью человека, поэтому одобренные FDA лекарства всегда имеют пункт посвященный взаимодействию с грейпфрутовым соком.

В целом же, среди пищевых продуктов разнообразие фурокумаринов достаточно широко, чтобы представить это рекомендую смотреть таблицу под спойлером:


Что все это значит? А то, что несмотря на приличное содержание фурокумаринов в некоторых растениях, растения этим мы не стесняемся активно применять в пищу.

Здесь да вспомнить, почему борщевик называется борщевиком. В некоторых местностях России борщевик еще называют борщень. Неспроста. Ранней весной молодые отрастающие листья борщевика (борщевик сибирский) в старину использовали для добавления в овощные или мясные супы (борщи). Еще Даль в своем словаре приводил поговорку Были бы борщевик да сныть, а живы будем. На Руси активно мариновали молодые растущие побеги борщевика, солили листья, изготовляли цукаты из стеблей. А также сушили листья борщевика, предварительно вымачивая или отваривая их для удаления эфирного масла и кумариновых соединений. Из корней борщевика, богатых сахарами, получали сахар и гнали водку. Лично знаю товарища, который даже получил финансирование для своего научно-исследовательского проекта борьбы с борщевиком, через получение из оного спирта. Ну и Домострой, этот главный источник жизненной мудрости, тоже своим вниманием борщевик не обошел:

<...>А возле тына, вкруг всего огорода, там, где крапива растёт, насеять борща, и с весны варить его для себя почаще: такого на рынке не купишь, а тут всегда есть; и с тем, кто в нужде, поделится Бога ради, а если борщ разрастётся, то и продаст, обменяв на другую заправку <...> В ту же пору до самой осени борщ, подрезая, сушить и сплетать в пучки, он всегда пригодится и в этом году и позднее, и капусту в течение лета варить, и свёклу <...>

Кстати, активно тему альтернативных (или новых, хорошо забытых) источников пищи я рассматривал в своих заметках:

Скоропищ или Чем прокормиться в исключительных условиях
Растения-помощники партизан
Нетрадиционные источники растительной пищи и питание в условиях гуманитарной катастрофы (голод)
SCI_E-book_Пару редких книг в копилку продовольственной безопасности

Борщевик там неоднократно упоминается, и даже присутствуют вполне себе современные рецепты блюд. В целом можно сказать, что 40-е годы прошлого века это время расцвета внимания к дикорастущей зелени, как к источнику пропитания. Объяснять, с чем это связано, думаю, излишне.

---

Про пищевые растения рассказал, нужно рассказать и про декоративные. Это по большей части последнее фурокумариновое семейство шелковичные (Moraceae). Здесь активными являются несколько растений рода Ficus, сюда входит фига/инжир (Ficus carica именно из него производится средство для облысения, про которое я писал выше). Правда бояться сухофруктов не стоит, опасен только молочный сок фиговых листков/сломанных веток/незрелых плодов (так штэ прикрываться фиговым листком-довольно сомнительная штука). В наших широтах носители шелковичных фотосенсебилизаторов чаще всего могут встречаться в виде комнатных растений. Например:




Так что, несмотря на то, что истерии аля борщевик касающейся комнатных фикусов я не наблюдал, все равно стоит помнить, что растения эти способны выделять латексный сок, содержащий фотокумарины, аналогичные тем же, что содержаться в обыкновенном инжире (=в фиговом листке).

Если же идти еще дальше и НЕ считать, что фототоксичность = фурокумарин, то можно вспомнить и другие растения содержащие фотосенсебилизаторы. Например, зверобой с веществом гиперицин, активно, еще со времен древнего Рима используемым при лечении депресии.


Из совершенно другого семейства и рода, привычная нам гречка (которой я уже даже успел посвятить отдельную статью Заметки фитохимика 2020. Гречка или Повесть о народной крупе) фототоксична за счет своего соединения фагопирина (которое по совместительству лекарство от диабета).Хотя химически фагопирин кардинально отличается от фурокумаринов борщевика.

Ну и последним фитофототоксикантом, которого мне хотелось бы упомянуть, будут бархатцы (Tagetes), широко распространенные как в виде полевых, так и садовых растений.


Род насчитывает около 50 видов, среди которых наиболее распространены Tagetes erecta (африканская календула), Tagetes lemmonii (горная календула), Tagetes lucida (мексиканская календула) и Tagetes patula (французская календула). Бархатцы фототоксичны для многих людей за счет тиофенов, способных выступать в роли фотосенсебилизаторов. Кстати, фототоксичные тиофены, похожие на тиофены бархатцев, содержатся в цветах василька (Centaurea), эхинацеи (Rudbeckia) и в некоторых других.

Но! Но растительные тиофены фототоксичны не только для человека, но и для вредных насекомых. Поэтому, кстати, упомянутые растения активно используются в качестве биорепеллентов. Про это я писал в своих статьях:

CТОП! муравей. Цивилизация против Цивилизации
Поймать блоху! Эффективная защита с использованием эфирных масел растений
Фумигатор на прокачку. Как не отправиться вслед за комаром...
Растения против таракана

Профилактика и лечение фурокумариновых ожогов

Что там было? Как ты спасся?
Каждый лез и приставал
В.С. Высоцкий

Если все-таки вымочить/выварить (ну или высушить как тот укроп) и сьесть содержащие фурокумарины растения не удалось, стоит знать как тогда хотя бы обезопаситься от химических ожогов, который может нанести их сок. Перечень действий следующий:

1. Избегать контакта с растением, содержащим фотосенсебилизаторы (что за они я в избытке озвучил выше) из семейства зонтичные, цитрусовые и т.п. Там, где возможен контакт с листьями/ветвями, выделяющими едкий сок, необходимо носить длинные брюки и рубашку с длинным рукавом. При скашивании необходимо использовать перчатки, щиток или защитные очки, которые бы препятствовали попаданию брызг сока на открытые участки кожи. С защитной одежды сок смывается обычной водой, если хотите полноценную дезактивацию водой со щелочным рН (например, с добавкой кальцинированной соды). Если воды нет (what?), то пойдет и этиловый/изопроиловый спирт из коронавирусного антисептика. Фурокумарины отлично экстрагируются в полярные растворители вроде спиртов.

2. Если уж фотосенсебилизатор на вас попал не давайте ему активироваться, предохраняйте окропленные части тела от длинноволнового ультрафиолета на протяжении как минимум 48 часов (=находится в затемненном помещении, носить широкополую шляпу, длинные перчатки (для женщин). Пораженный участко необходимо немедленно промыть холодной водой с хозяйственным мылом (=щелочная среда), а затем обработать солнцезащитным кремом. Неплохой дегазирующий агент раствор нашатырного спирта с его щелочной средой. Всякие суровые вещи, вроде перекиси водорода или гипохлорита натрия даже не советую, т.к. сок борщевика, при всем моем уважении, такого усложнения не стоит :). Кстати, интересующимся темой дегазации отравляющих веществ рекомендую смотреть недавнюю статью про индивидуальный противохимический пакет (ИПП).

Ремарка по поводу не всякий солнцезащитный крем одинаково полезен. Фитофотодерматиты вызывает ультрафиолет в диапазоне 320380 нанометров (UVA), а солнцезащитные кремы чаще всего направлены против жестких UVB/UVC (грубо говоря, чем выше SPF-фактор, тем короче волна целевого УФ). В 2011 году FDA, американское управление по надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов, главный бич всех медицинских стартапов, предложило методы оценки защитной способности кремов и прочих средств относительно длинноволнового ультрафиолета (UVA). Косметика которая прошла эти тесты получала на борт маркировку Широкий спектр защиты. Поэтому теперь помимо циферок SPF нужно присматриваться и к наличию "BROAD SPECTRUM".


Если же защитится не удалось, и ядовитых фототоксичный сок укропа/фикуса/лайма/борщевика все-таки попал на вашу кожу и прореагировал под длинноволновым ультрафиолетом с азотистыми основаниями ДНК, то То лечится это симптоматически. Противовоспалительными препаратами, применяющимися для лечения других видов дерматитов. Дополнительно может быть использован отбеливающий крем для лечения гиперпигментации и возвращения привычного цвета кожи (если фитофотодерматит запустить, то в итоге это может привести к постоянной гипер- или гипопигментации, т.е. как раз к тому, о чем я рассказывал в теме про лампу Вуда). В целом, в случае редких случаев контакта с носителями фурокумаринов можно сказать, что выглядят фитофотодерматиты гораздо страшнее, чем вред, который они наносят организму.

На этом повествование считаю завершенным! Традиционно подписывайтесь на tg-канал и patreon чтобы быть в курсе последних изысканий.

Когда-то давно по тв крутили креативную рекламу суперклея. Основной фишкой в ней был мужчина, чьи ботинки были приклеены к потолку и спокойно держали его в подвешенном состоянии. Это необычное зрелище плюс уверенный голос диктора, рассказывающего о невероятной силе рекламируемого продукта, внушали потенциальному покупателю вполне ожидаемую мысль купить. Меня же всегда смущало одно радостное выражение лица этого новоявленного Бэтмена: кто-то присобачил его к потолку, а он радуется. В общем, странная реклама, очевидно гиперболизирующая свойства продукта в угоду повышения его продаж. Однако адгезивный материал способный на такое был бы крайне полезен во многих отраслях, посему многие ученые пытаются из года в год создать все более липкий клей. Так ученые из университета Тафтса (США) в попытках создать новый тип клея обратились за вдохновением к морским обитателям. Новость об этом исследовании уже была, но мы, как обычно, рассмотрим его подробнее. Какие именно существа вдохновляют на мысли о клее, как именно их физиология и биохимия помогли в разработке адгезивного материала, и насколько клейкий такой клей? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

В водах морей и океанов полно не только снующих туда-сюда рыб и млекопитающих, но и существ, предпочитающих сидеть на одном месте и не двигаться без особой на то причины. На первый взгляд это кажется весьма простой задачей достаточно какой-то присоски, плоской поверхности и вуаля постоянное место жительства готово. Однако морская среда неоднородна: регион, глубина, течения, температура, соленость, и даже соседи могут тем или иным образом влиять на способность сидячих существ прикрепляться к поверхностям. Из менее очевидных, но не менее важных аспектов, является химический состав воды.

Одним из самых именитых природных адгезивных материалов, применяемый в морской среде, это биссус, выделяемый некоторыми двустворчатыми моллюсками (например, мидиями). Биссус представляет собой полипептидное волокно, состоящее из адгезивных белков, специфически консервативных олигопептидов, богатых остатками лизина, гидроксипролина и дигидроксифенилаланина (ДОФА или DOPA от dihydroxyphenylalanine).


Биссус

У моллюска имеется биссусовая железа, выделяющая биссус, который застывает в воде и образует своеобразный корень, с помощью которого и происходит крепление к поверхности. Отодрать моллюска, полностью присоединившегося к поверхности, бывает крайне сложно.

Столь высокая адгезионная способность обусловлена механизмом адгезии, включающему катехиновые остатки L-DOPA, которые окисляются до реакционноспособных хиноновых фрагментов, дополнительно способствуя сшиванию с другими связанными с белками остатками, такими как амины и тиолы. Ученые считают, что окисление остатков* L-DOPA требуется для когезии*, возникающей за счет образования поперечных связей. А неокисленные остатки DOPA способствуют способности прикрепляться к разным поверхностям.

Остаток* структурная единица биополимера, состоящего из аминокислот и сахаров.

Когезия* связь между одинаковыми молекулами (атомами, ионами) внутри тела в пределах одной фазы, т.е. взаимное притяжение одинаковых молекул.

Баланусы

Помимо мидий необычайно крепкой хваткой обладают морские желуди (баланусы, Balanus), способные прикрепляться как к природным, так и к искусственным материалам. Клейкое вещество (иногда называемое цемент), выделяемое баланусами, основано на нерастворимых адгезивных нановолокнах, которые состоят из множества белковых компонентов с высоким содержанием -листов*. Этот цемент способен выдержать воздействие сильных кислот, органических растворителей, щелочей и даже температуры в 200 C.

-лист* форма регулярной вторичной структуры белков, состоящая из бета-цепей, связанных с боков двумя или тремя водородными связями, образуя слегка закрученные, складчатые листы.

Клей баланусов богат амилоидоподобными -листовыми доменами, которые организованы как очень компактные водородно-связанные структуры, ориентированные перпендикулярно основной оси полимера. Данные структуры очень стабильны и способны прилипать к любой поверхности.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые предложили объединить механизмы адгезии мидий и баланусов вида Cirripedia для создания клея, в основе которого будет композит, состоящий из регенерированного водного раствора фиброина шелка (SF от silk fibroin) и полидофамина (PDA от polydopamine). PDA использовался в качестве молекулы, несущей катехол, что позволяет имитировать адгезию мидий. PDA представляет собой полимер, полученный в результате окислительной полимеризации дофамина, с различными мономерными и олигомерными фрагментами. В нем содержится большое количество донорных и акцепторных водородных связей и ароматических колец.

Имитация клея баланусов была выполнена путем применения фиброина* шелка Bombyx mori (тутовый шелкопряд), так как он способен собираться в домены из -листов.

Фиброин* фибриллярный белок, выделяемый паукообразными и некоторыми насекомыми, является основой нитей паутины и коконов.

Дело в том, что фибрион и клей баланусов очень похожи по аминокислотному составу и имеют общее эволюционное происхождение. Обе эти структуры характеризуется исключительными механическими свойствами, такими как высокая прочность на разрыв и растяжимость.


Изображение 1

В основе создания клея лежал процесс смешивания SF и PDA в различных пропорциях путем прямой окислительной полимеризации дофамина в водном растворе SF. За счет объединения SF и PDA полученный адгезионный материал берет лучшее от обеих сторон (от мидий, и от баланусов). В частности, сшиваемые и хелатирующие железо части DOPA из мидий вводятся катехинами PDA, в то время как структурная стабильность обеспечивается -листовым амилоидоподобным клеем балануса через основную цепь полипептида SF (1а).

Кроме того, сила адгезии была значительно увеличена за счет отверждения* FeCl₃/HCl в результате комплексообразования катехоловых единиц (как у мидий) и агрегации SF, наблюдаемой в кислой среде.

Отверждение* процесс преобразования жидких олигомеров и/или мономеров в твердые неплавкие и нерастворимые сетчатые полимеры.

Одним из основных свойств, которым хотели ученые наделить свой SF-PDA клей, это сохранение адгезивности в водной среде, что им успешно удалось. В сухой среде адгезия клея составляла 2.5 МПа, а в водной 2.4 МПа.

В качестве практической демонстрации ученые собрали модельку самолета, применив при этом композитный клей SFPDA 200 х 10^-3 м, отвержденный с помощью FeCl₃ (1c).

Результаты исследования

Во время приготовления клея к раствору SF (7.3%, т.е. 73 мг/мл) добавляли различное количество дофамина (до концентраций 2 х 10^-3, 20 х 10^-3 или 200 х 10^-3 м). Далее смесь оставляли в покое при комнатной температуре на два дня, чтобы начался процесс самопроизвольной полимеризации дофамина.

Чтобы проверить адгезионную прочность композита, 20 мкл полученных растворов SF-PDA были налиты на стеклянные предметные стекла размером 25 х 10 мм (1b). После высыхания в течение 1 часа смесь подвергали воздействию различных отвердителей (4 мкл): бидистиллированная вода, HCl (55 х 10^-3, 550 х 10^-3 м) и FeCl₃ (30 х 10^-3, 300 х 10^-3 м). Затем второе предметное стекло помещалось поверх первого. Полученная конструкция зажималась биндерами (скрепками) и оставлялась на ночь.

Далее стекла подвергались тестированию прочности на разрыв. Во всех проведенных экспериментах было обнаружено, что разрушение связи имеет когезионную природу, поскольку полимер распределялся на обеих подложках после разрыва связи (2а).


Изображение 2

HCl использовался в качестве отвердителя для предотвращения окисления катехолов до хинонов, что часто происходит при pH выше 5.5, а также в качестве контрольной группы для образца, обработанного FeCl₃, который также является кислым и имеет такие же свойства pH.

FeCl₃ необходим для запуска хелатирующей способности катехолов по отношению к Fe³⁺, что впоследствии приводит к образованию прочных комплексов и, следовательно, к высокой степени адгезии при одновременном создании кислой среды, как и в случае с HCl. Кроме того, FeCl₃ способствует агрегации SF за счет координации полярных аминокислот, таких как остатки тирозина и серина.

Результаты тестов на разрыв при использовании различных отвердителей показаны на 2b. Стоит отметить, что чистый PDA не смог склеить два стекла без SF. Следовательно, PDA действует как эффективный сшивающий агент между реакционноспособными фрагментами SF, но не приводит к каким-либо заметным явлениям когезии. Другими словами, PDA помогает SF склеивать стекла, но самостоятельно на это не способен.

SF в чистом виде также показал плохую адгезию, сравнимую с большинством полностью натуральных клеев. Прочность сцепления 20 мкл раствора SF (7.3%) составила всего лишь 0.2 МПа.

Добавление дофамина, который свободно самополимеризуется в растворе SF, увеличивает адгезионные свойства пленок SF по мере увеличения концентрации дофамина. Максимальная концентрация, использованная в экспериментах (200 х 10^-3 м), увеличивала прочность сцепления чистого SF в три раза, т.е. до 0.6 МПа (слева на 2c).

Добавление HCl дополнительно улучшило адгезионную прочность образцов (2b/2 и 2b/4). В частности, SF-PDA 200 х 10^-3 м, отвержденный самой высокой концентрацией HCl (550 х 10^-3 м), показал прочность адгезии до 2 МПа (слева на 2c).

Высокая прочность адгезии также может быть достигнута, если использовать Fe³⁺ в качестве отвердителя (2b/1 и 2b/3). В результате использования FeCl₃ с концентрацией 30 х10^-3 м было получено значение прочности в 2.0 МПа.

Выбор FeCl₃ в качестве отвердителя был обусловлен механизмом адгезии, проявляемым мидиями, которые накапливают Fe³⁺ и используют его в качестве сшивающего агента между катехиновыми звеньями. Для комплексообразования железа требуются депротонированные катехиновые (пирокатехиновые) единицы, и поэтому хелатирование зависит от значений pH.

Это подтверждается результатами тестов, в которых SF-PDA 200 х 10^-3 м отвержденные как 550 х 10^-3 м HCl, так и 300 х 10^-3 м FeCl₃, которые имеют примерно одинаковый pH (0.96), демонстрируют практически одинаковую силу сцепления: 1.2 и 1.3 МПа соответственно.

Но у образцов, отвержденных с помощью FeCl₃ 30 х 10^-3 м (1.96 pH), сила адгезии превышает 2 МПа, вероятно, из-за более высокого отношения Fe³⁺/H⁺, поскольку оба конкурируют за взаимодействие с катехолами.

Дополнительно были проведены аналогичные тесты с образцами из стали, алюминия и фанеры, которые показали прочность на сдвиг 4.7, 2.2 и 0.8 МПа соответственно.

Далее была проведена оценка морфологии тестируемых смесей с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), показавшей, что после процесса отверждения полученная структура напоминает натуральный биссус (3a/6).


Изображение 3

На изображениях 3a/1-3a/4 показаны СЭМ снимки высушенных адгезивов SF-PDA до и после отверждения с помощью FeCl₃, на 3a/5 показано расслоение адгезивов. При этом толщина слоя клея между стеклами составляла всего лишь 3 мкм (3a/8).

Ученые отмечают, что перед отверждением адгезивы демонстрируют повышенную шероховатость с увеличением процентного содержания дофамина. Сравнение клея SF-PDA и клея мидий (т.е. биссуса) показало сходство как в морфологии структуры, так и в размерах пор.

Пористость структуры клея напоминает ту, что присутствует у мидий и других морских организмов. Им она помогает повысить эластичность клея и свести к минимуму резкое несоответствие модуля упругости между жесткими частицами и гибким цементом (биссусом).

Немаловажной особенностью клея мидий и баланусов является сохранение его клейкости в водной среде. Чтобы выяснить, обладает ли SF-PDA клей такой же характеристикой, ученые провели тест с тремя образцами, отвержденными с помощью H₂O, HCl и FeCl₃. Каждый из образцов после добавления отвердителя помещался в бидистиллированную воду на сутки.
Спустя это время образцы подвергались тестам на сдвиг либо в воде (отмечено A на графиках), либо в сухой среде (отмечено B на графиках) (2b/5 2b/8). Дополнительно был проведен такой же тест, но в обычной воде (pH 9; отмечено C на графиках) для проверки влияния уровня pH на адгезию.

Находясь в воде, стеклянные пластины, соединенные SF-PDA клеем отвержденным самой водой, самопроизвольно отделялись друг от друга спустя 24 часа. Чистый SF также не мог обеспечить сцепление пластин даже после отверждения с помощью HCl или FeCl₃. Сцепление смогли обеспечить лишь варианты клея SF-PDA, отвержденные до их помещения в воду.

Измерения показали (справа на 2c), что кислотное отверждение с помощью HCl было необходимо для получения адгезии под водой, которая улучшается за счет увеличения концентрации дофамина до 1.5 МПа.

Лучшие результаты адгезии показали образцы после отверждения FeCl₃ (справа на 2c) 2 МПа. Концентрация PDA в составе клея также играла важную роль в показателях адгезии: самое высокое значение (1.9 МПа) наблюдалось при высокой концентрации, а при низкой адгезия была либо резко падала, либо практически отсутствовала. Рекордной значение адгезии (2.4 МПа) в рамках данного исследования было получено во время тестов в обычной воде.

Если же сравнивать образцы, отвержденные HCl или FeCl₃, то именно вторые показали лучшее сцепление в водной среде. Это объясняется взаимодействием Fe³⁺ с SF-PDA, которое происходит через хелатирование, и окислительно-восстановительной природой FeCl₃.

Процесс отверждения также вызывает увеличение гидрофобности смесей SF-PDA, что было оценено путем измерения угла смачивания (3b), когда стекло, покрытое PDA, показывало полную смачиваемость (капли полностью растеклись по поверхности). Соответственно, по мере увеличения содержания PDA увеличивалась смачиваемость смесей SF-PDA.

После отверждения с помощью HCl углы смачивания в каждой смеси увеличивались с 14 до 43, что свидетельствует об увеличении гидрофобности поверхности. Наибольшая модификация наблюдалась в SF-PDA (200 х 10^-3 м), угол смачивания которого достигал 93.22.

Аналогичную картину можно было наблюдать и при использовании FeCl₃ в качестве отвердителя. Увеличение кислотности среды, вызванное ионами Fe³⁺, приводило к увеличению угла смачивания. А незначительно повышенная смачиваемость по сравнению с HCl объясняется присутствием значительного количества ионов Fe³⁺ в смеси SF-PDA (3c).

Ученые заявляют, что среди коммерческих клеев, используемых под водой, лучшим является клей на основе полиуретана, так как в нем достигается компромисс между его свойствами, проявляемыми в сухой и подводной среде. Прочность адгезии такого клея составляет 2.8 МПа в сухой среде и 2.5 МПа в подводной (если применено 13.5 мг клея). Есть варианты клея, способные показать 3 МПа под водой, но для их применения используется хлороформ.

Вышеописанный клей действительно показывает отличные результаты, однако он является синтетическим и включает использование вредных реагентов и растворителей. А для получения рекордных 3 МПа необходимо было использовать 13 мг клеевой смеси, что примерно в 13 раз выше, чем в случае с разработанным SF-PDA, которого достаточно всего лишь 1-2 мг для получения прочной адгезии.

Ученые отмечают, что среди имеющихся на данный момент адгезивов природного происхождения максимальные значения адгезии составляют 0.4 МПа в сухой среде (14 мг чистого SF в качестве клея) и те же 0.4 МПа в подводной среде (100 мг смеси хитозан-PDA). А это наглядно показывает превосходство разработанного SF-PDA над другими адгезивами.

Для более подробного ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В данном труде ученые описали новый тип клея, способного прочно соединять различные поверхности как под водой, так и на суше. Главным вдохновением этого труда послужили морские обитатели, способные намертво прикрепляться к разным поверхностям с помощью веществ, выделяемых их организмом.

Ученые решили объединить в своем клее лучшее от мидий и баланусов, обладающих своей уникальной техникой адгезии. Это позволило создать полностью натуральный клей на водной основе с использованием фиброина шелка и дофамина (SF-PDA).
Важно и то, что во время изготовления и применения созданного клея используются практически безвредные реагенты. А сила адгезии сравнима с лучшими коммерческими вариантами доступными на данный момент. При этом достаточно всего лишь 1-2 мг SF-PDA клея для достижения эффекта, сравнимого с тем, что и можно получить с помощью 14 мг коммерческого синтетического клея, в котором используется хлороформ.

Конечно, многие синтетические вещества, материалы и т.д. намного лучше своих природных эквивалентов. Однако в последние годы, когда общество начало куда больше думать об экологии, мы часто выбираем что-то природное, хоть и с худшими свойствами. Но это исследование показало, что бывают случаи, когда природный во всех аспектах лучше синтетического.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Магнитно-резонансная томография один из самых эффективных способов выявления онкозаболеваний на ранних стадиях. Для повышения ее точности в организм пациента может вводиться специальный контрастный агент с магнитными свойствами при особом подборе параметров агент будет подсвечивать злокачественные клетки. Однако, кроме диагностики, магнитные материалы перспективны для использования при терапии онкозаболеваний. Под точечным воздействием высоких температур магнитные наночастицы могут нагреваться и разрушать оболочку раковых клеток.

Коллектив ученых НИТУ МИСиС совместно с коллегами из России и Германии представил подробное исследование наночастиц-гибридов из магнетита и золота. В перспективе такие наночастицы могут помочь в тераностике диагностике и последующей терапии онкозаболеваний.



Ученые уже несколько лет занимаются разработкой магнитных наночастиц для тераностики (комбинации диагностики и терапии) на основе магнетита (Fe3O4). Недавно завершился очередной этап фундаментальных исследований совместно с коллегами из МГУ им. Ломоносова, РХТУ им. Менделеева, Российского национального исследовательского медицинского университета и Университета Дуйсбург-Эссен (Германия) ученые изучили процесс формирования гибридных наночастиц магнетит-золото. Широко известно, что этот драгоценный металл хорошо воспринимается организмом; его роль обеспечить биосовместимость димера (сложной структуры).

Ученые рассмотрели зарождение, рост и огранку магнетит-золотых наногибридов, взяв жидкие пробы из реакционной смеси в процессе синтеза. Для этого использовался рентгенофазовый анализ, просвечивающая электронная микроскопия, вибромагнетометрия.

Мы наблюдали два последовательных процесса во время образования магнетита. Во-первых, рост сферических наночастиц магнетита на первичных зародышах золота при температуре до 220 С. Во-вторых, происходит постепенная огранка наночастиц оксида железа до восьмигранников на стадии кипения от 240 до 280 С при постоянном объеме наночастиц, комментирует участник исследования, доцент Университета Дуйсбург Эссен, Ульф Видвальд.

Это наиболее подробный анализ свойств получения димерных наночастиц с магнетитом из всех, когда-либо проводимых. Ученые отмечают, что полученные ими данные позволяют контролировать размер и форму наночастиц благодаря возможности управлять параметрами химической реакции. В перспективе это поможет масштабировать процесс производства тераностических наночастиц до серийного.