Исследователи из Университета Ворвика (University of Warwick) и Университета Шеффилда (University of Sheffield) применили компьютерное моделирование для разрешения загадки образования яичной скорлупы. А еще их работа, возможно, сумеет частично ответить на старый как мир вопрос о том, что же было сначала – курица или яйцо?

Профессор Марк Роджер (химический факультет
и Научно-вычислительный центр Университета
Ворвика (слева) и доктор Дэвид Квигли
(физический факультет и Научно-вычислительный
центр Университета Ворвика (справа).
(Фото: Университет Ворвика)

В данном контексте ответом на этот вопрос будет «курица» или, по крайней мере, особый куриный белок. Хитрый химический «трюк» этого белка, расшифрованный учеными, позволяет по-новому взглянуть на регуляцию роста кристалла, которая является ключом к образованию скорлупы яйца.

Ученые уже давно знают, что белок скорлупы куриного яйца, называемый овокледидин-17 (ovocledidin-17 – ОС-17), должен играть определенную роль в ее образовании. Белок обнаруживается только в минеральной части яйца, и результаты лабораторных исследований показывают, что он, вероятно, оказывает влияние на превращение аморфного карбоната кальция (СаСО3) в кристаллы кальцита. Механизм такой регуляции остается неясным. Неясным остается и то, как этот процесс может быть использован для образования настоящей яичной скорлупы.

Для решения этой «яичной» проблемы исследователи из Университета Ворвика (University of Warwick) Марк Роджер (Mark Rodger) и Дэвид Квигли (David Quigley) в сотрудничестве с коллегами из Университета Шеффилда (University of Sheffield) применили мощный вычислительный инструмент – метадинамику – и британский национальный суперкомпьютер в Эдинбурге.

«Метадинамика расширяет возможности моделирования обычной молекулярной динамики (MD) и особенно хорошо осуществляет выборку переходов между упорядоченным и неупорядоченным состоянием вещества», – говорит доктор Дэвид Квигли (физический факультет и Научно-вычислительный центр Университета Ворвика).

Используя такие инструменты, ученые смогли создать модели, которые точно показывают, как белок связывается с поверхностью аморфного карбоната кальция: для этого он использует два кластера из остатков аргинина, расположенных в двух его петлях, из которых создает настоящие химические «зажимы» для наноразмерных частиц карбоната кальция.

Будучи связанным таким образом ОС-17 способствует превращению наночастиц карбоната кальция в кристаллы кальцита, формируя мельчайшие ядра кристаллизации, после чего кристаллы продолжают расти самостоятельно. Но ученые заметили, что иногда этот химический «зажим» не работает. ОС-17 просто отделяется от наночастицы и «десорбируется».

«При рассмотрении более крупных наночастиц мы обнаруживали, что сайты связывания для образования этого химического «зажима» оставались теми же, что и для наночастиц меньшего размера, но связь оказывалась слабее. В созданных нами моделях белок никогда не отделялся от наночастиц меньшего размера, но всегда разрывал связь с более крупными. Однако в любом случае десорбция происходила либо в момент образования ядра кристаллизации кальцита, либо сразу после него», – говорит профессор Марк Роджер (химический факультет и Научно-вычислительный центр Университета Ворвика).

Таким образом, ученые обнаружили невероятно изящный процесс, позволяющий осуществлять высокоэффективный рециклинг белка ОС-17. Связываясь с частицами карбоната кальция и вызывая процесс образования кристалла, а затем разрывая эту связь, когда ядро кристаллизации становится достаточно большим, чтобы расти «под своими парами», белок ОС-17 эффективно функционирует в качестве катализатора. Высвободившись, он катализирует дальнейшую кристаллизацию, способствуя быстрому, буквально мгновенному, образованию скорлупы яйца.

Связывание белка ОС-17 с карбонатом кальция. (Фото: Университет Ворвика)

Исследователи полагают, что это новое понимание изящных и высокоэффективных методов поддержания и регуляции естественной кристаллизации окажет огромную помощь всем, кто изучает процессы искусственного образования кристаллов и методы контроля над ними.

Аннотация к статье: Colin L. Freeman, John H. Harding, David Quigley, P. Mark Rodger. Structural Control of Crystal Nuclei by an Eggshell Protein