Учеными, в том числе российскими, представлены результаты исследования морской губки гиалонемы, которые позволяют начать разработку стратегий и технологий получения новых нанокомпозитных биоматериалов при очень низких температурах и высоком давлении.

Губки – очень древние животные. Уже в кембрийском море (в первый период палеозоя, 542–488 млн лет назад) существовали почти все известные в настоящее время классы и отряды губок. Одной из таких губок является «стеклянная» губка гиалонема (Hyalonema). Она имеет округлое тело, сидящее на конце стержня из очень длинных толстых игл. Скелет этой губки используют для изготовления украшений.

Добыча «стеклянных губок» сопряжена с большими трудностями, так как они живут на значительной глубине и имеют очень ломкий скелет. Но гиалонема надежно прикрепляется к океанскому дну с помощью спикул – силикатных микроволокон, в длину достигающих метра.

С их помощью губка не просто закрепляется в морском грунте, но и оказывает сопротивление сильным подводным течениям.

Стеклянные губки относятся к первым многоклеточным организмам на планете и возникли, вероятно, более 600 миллионов лет тому назад. Считается, что губки смогли выжить в экстремальных условиях в течение такого длительного в эволюционном отношении периода времени именно за счет специфической наноструктурной организации опорных спикул.

Эти спикулы представляют собой уникальный биокомпозитный материал.

Благодаря этому губка выдерживает мощные нагрузки подводных океанических течений. Конструкции из современных синтетических керамических материалов схожих размеров при таких нагрузках непременно сломались бы.

Физические и биохимические свойства спикул были всесторонне исследованы группой ученых под руководством ведущего эксперта в области морских биоматериалов доктора Германа Эрлиха из Дрезденского технического университета (Германия). Результаты работы опубликованы в журнале Nature Chemistry. Исследование продолжалось около пяти лет; в нем приняли участие ученые из трех научных учреждений России – Санкт-Петербургского государственного университета (Александр Ересковский), московского центра «Биоинженерия» РАН (Денис Курек) и владивостокского Института химии и прикладной экологии Дальневосточного государственного университета (Василий Баженов).

Ученые выяснили, чем объясняется эластичность силикатных спикул губки: она обусловлена нановолокнами коллагена – фибриллярного (нитевидного) белка, который является основой соединительной ткани организма (сухожилие, кость, хрящ, дерма и т. п.) и обеспечивает ее прочность и эластичность. Коллагеновые структуры присутствует во всех организмах, от вирусов до многоклеточных, но отсутствуют у растений.

Коллаген, содержащийся в гиалонеме, оказался отличным по составу от того, что содержится в скелете человека и других высших животных.

Все дело оказалось в наличии дополнительных гидроксильных групп (групп OH, в которых атомы водорода и кислорода связаны ковалентной связью) в молекуле спикульного коллагена гиалонемы. Именно гидроксильные группы обусловливают их эффективное взаимодействие с молекулами кремниевой кислоты. Уникальным является и механизм силикатизации губочного коллагена: он протекает при температурах, близких к нулю, а у антарктических стеклянных губок при температуре минус 1,5 градуса Цельсия.

Как сообщают авторы работы, их экспериментальные результаты позволяют начать разработку стратегий и технологий получения новых нанокомпозитных биоматериалов при очень низких температурах и высоком давлении. Соответствующая область получения биоматериалов называется «экстремальной биомиметикой» (extreme biomimetics).