Исследователи Калифорнийского университета разработали простой одноступенчатый метод самосборки вирусных частиц в сложные структурированные биоматериалы.

Группа ученых под руководством Сэюнь-Вук Ли научилась путем изменения параметров физических условий среды заставлять вирусные частицы формировать иерархически организованные тонкопленочные материалы, уровень сложности структуры которых варьирует от наличия простых бороздок до сложных упорядоченных переплетений формирующих пленку волокон.

Структурной единицей новых материалов является безопасный для человека вирус бактериофаг M13, поражающий кишечную палочку (Escherichia coli). Для создания вирусных биопленок исследователи погружали в содержащий заданную концентрацию вирусных частиц забуференный раствор тончайший субстрат, к которому адгезируются имеющие форму вытянутых хиральных спиралей вирусные частицы. (Хиральность – свойство молекулы не совмещаться со своим отображением в идеальном плоском зеркале).

Путем изменения скорости извлечения субстрата из раствора, а также концентрации ионов и вирусных частиц в растворе исследователи разработали методы получения трех типов биопленок.

Биопленки наиболее простого типа состоят из перемежающихся пучков волокон, при этом волокна каждого пучка ориентированы перпендикулярно волокнам примыкающего пучка. Такие пучки волокон формируются при извлечении субстрата из исходного раствора, содержащего сравнительно низкие концентрации вирусных частиц, путем повторяющихся рывков.

Для создания пленок более высокого уровня сложности исследователи увеличивали концентрацию вирусных частиц в растворе, что физически ограничивало подвижность движения каждой частицы. В результате происходило формирование структуры, состоящей из спиральных лент, хиральность которых проявлялась в более широком диапазоне, чем хиральность индивидуальных вирусных частиц.

Дальнейшее повышение концентрации и увеличение скорости извлечения субстрата из раствора позволило получить еще более сложные, но, по-прежнему, упорядоченные структуры, состоящие из пучков волокон, и, на первый взгляд, напоминавшие блюдо из лапши быстрого приготовления. Каждая из полученных исследователями биопленок обладает уникальными характеристиками, такими как цвет, полярность, способность преломлять свет и пр. Некоторые из них продемонстрировали способность направлять рост клеток в необходимом направлении.

В результате одного из таких экспериментов авторам удалось получить биоматериал, сходный с зубной эмалью.

Исследователи считают, что иерархическая природа создаваемых ими биопленок является отражением формирования сходных природных биомолекул, образующих коллаген и другие материалы, обладающие хиральной структурой. Они надеются, что в будущем разработанный метод самосборки биоматериалов найдет свое применение в синтезе других органических и неорганических материалов, оптические, механические и даже электрические свойства которых можно будет контролировать как на нано-, так и на макроуровнях. Более того, изучение лежащих в его основе механизмов может пролить свет на секреты регенерации и восстановления биологических тканей.