Вдохновленные природой, иерархически структурированные искусственные биоматериалы совершают революцию в самых разных областях - от тканевой инженерии до биосенсинга и борьбы с биозагрязнениями.
Морщинистые материалы являются одними из самых универсальных иерархических структур и находят широкое применение в носимых устройствах, гибкой электронике, преобразовании энергии и клейких/отталкивающих поверхностях. Природа до сих пор оставалась единственным создателем таких сложных структур, а попытки биомимикрии были затруднены отсутствием совместимых технологий и надежных методик, позволяющих сохранять наноархитектуру белков и белковых строительных блоков бионаночастиц.
Вирусные наночастицы, такие как бактериофаги, являются привлекательными кандидатами на внедрение в сконструированные морщинистые структуры. Во многом это связано с их свойствами, которые не имеют аналогов в искусственных наночастицах, а именно: монодисперсная саморепликация, удивительное разнообразие форм и размеров и точный контроль химии поверхности путем химической и/или генетической модификации. При совместном использовании эти свойства делают бактериофаги мощными природными строительными блоками для следующего поколения биомиметических конструкций.
Предыдущие работы показали, что нанонити фагов способны к самоорганизации при высоких концентрациях, образуя двумерные пленки, объемные гидрогели и сферы, что приводит к созданию микро- и макромасштабных материалов с мощными оптическими и структурными свойствами. В целом, материальные платформы на основе вирусов представляют собой следующий рубеж для создания функциональных 3D-структурных материалов. Несмотря на огромные перспективы, универсальный метод создания морщинистых структур в различных материалах на основе биомолекул с сохранением их наноархитектуры, по-прежнему не найден.
Группа исследователей из Университета Макмастера, которые регулярно работают с бактериофагами, получила приятный и потенциально очень важный сюрприз, готовя слайды для просмотра под мощным микроскопом. Подготовив образцы фагов, чтобы их можно было рассмотреть в живом виде под электронным микроскопом, исследователи с удивлением увидели, что они соединились в трехмерные формы, похожие на подсолнухи, но размером всего в две десятых миллиметра. Об их работе рассказывается в недавно опубликованной статье в журнале Advanced Functional Materials.
Изначально это открытие было счастливой случайностью - вместо того чтобы подвергать образцы фагов типичным процессам подготовки, в которых используются температуры или растворители, ведущий автор Лэй Тянь и его коллеги решили обработать их углекислым газом под высоким давлением.
Фото: McMaster University
Хотя исследователи привыкли видеть, как микроскопические вирусы делают удивительные вещи, после обработки они были ошеломлены тем, что фаги сгруппировались в такие сложные, естественные и очень полезные формы. «Это было случайное открытие», - говорит автор статьи Тянь. «Когда мы достали их из камеры высокого давления и увидели эти прекрасные цветы, у нас просто снесло крышу. Нам потребовалось два года, чтобы выяснить, как и почему это произошло, и мы открыли дверь к возможности создания подобных структур из других материалов на основе белков. Подобные красивые морщинистые структуры встречаются в природе повсеместно. Механические, оптические и биологические свойства такого рода структур десятилетиями вдохновляли инженеров на создание подобных структур искусственным путем в надежде получить от них те же свойства».
Нанонити фага (ширина 7 нм) самособирались в упорядоченные субмикронные пучки (ширина 100 нм), которые сжимаются в настраиваемые микромасштабные морщины (ширина 0,7-5,0 мкм) на контролируемых по размеру микромассивах (ширина 200-600 мкм), демонстрирующих четырехуровневую иерархическую нанорешетчатую структуру.
Цветная электронно-микроскопическая фотография группы фагов, спонтанно сформировавшихся в форму, напоминающую цветок. Фото: McMaster University
Теперь, когда авторы осуществили такую трансформацию и успешно воспроизвели процесс, они удивлены коллективной эффективностью, которой фаги достигают, соединяясь вместе и принимая такие формы, и изучают способы использования этих свойств. Пористые, похожие на цветы структуры фагов в 100 раз лучше, чем их несвязанные аналоги, находят рассеянные, диффузные цели даже в сложной среде. Авторы смогли доказать этот факт, смешав их с ДНК-ферментами и используя для поиска низких концентраций бактерий Legionella в воде из промышленных градирен.
Бактериофаги вновь становятся средством лечения многих форм инфекций, поскольку их можно запрограммировать на поражение конкретных бактерий. Открытие процесса, который заставляет их объединяться в цветочные формы, может усилить их и без того впечатляющие свойства, как для поиска и уничтожения целевых бактерий, так и для использования в качестве "строительных лесов" для других материалов. «Природа так могущественна и так умна. Наша задача, как инженеров, - изучить, как она работает, чтобы мы могли использовать подобные процессы в своих целях», - говорит Тянь. «Возможности безграничны, ведь теперь мы можем создавать структуры, используя биологические строительные блоки».
