Исследователи синтезируют новый вид шелкового волокна – и обнаруживают, что музыка может помочь точно настроить свойства материала.
Фунт для фунта, шелк паука – один из самых сильных известных материалов: исследование Мартином Бюлером MIT помогло объяснить, что эта сила возникает из-за необычной иерархической структуры шелка блоков белка.
Теперь Буэлер вместе с Дэвидом Капланом из Университета Тафтса и Джойс Вонг из Бостонского университета синтезировали новые варианты натуральной структуры шелка и нашел способ дальнейшего улучшения синтетического материала.
Оказалось, что слух для музыки может стать ключом к этим структурным улучшениям.
Работа связана с сотрудничеством гражданских инженеров-экологов, математиков, биомедицинских инженеров и музыкальных композиторов. Результаты представлены в статье, опубликованной в журнале Nano Today.
«Мы пытаемся подойти к материалам по-другому», – объясняет Бюлер, «начиная с строительных блоков» – в этом случае – молекулы белка, которые образуют структуру шелка. «Это очень сложно сделать; белки очень сложны ».
Другие группы пытались построить такие белковые волокна, используя метод проб и ошибок, говорит Буэлер. Но эта команда систематически подходила к этой проблеме, начиная с компьютерного моделирования базовых структур, которые придают натуральному шелку необычное сочетание силы, гибкости и эластичности.
Предыдущее исследование Бюлера определило, что волокна с определенной структурой – высокоупорядоченные слоистые структуры белка, чередующиеся с плотно упакованными, запутанными скоплениями белков (ABABAB) – помогают придавать шелку его исключительные свойства. Для этой первоначальной попытки синтезировать новый материал команда предпочла вместо этого взглянуть на шаблоны, в которых одна из структур произошла в триплетах (AAAB и BBBA).
Создание таких структур – непростая задача. Каплан, химический и биомедицинский инженер, модифицированные синтетические гены для производства этих новых последовательностей белков. Затем Вонг, биоинженер и научный сотрудник по материалам, создал микрожидкостное устройство, которое имитировало шелкопрядильный орган паука, который называется фильеркой.
Даже после детального компьютерного моделирования, которое вошло в него, результат стал немного неожиданным, говорит Буэлер. Один из новых материалов производил очень сильные молекулы белка, но они не слипались нитью. Другой производил более слабые молекулы белка, которые хорошо прилипали и образовывали хорошую нить. «Это учило нас, что недостаточно рассматривать свойства только молекул белка», – говорит он. «Скорее, [нужно] подумать о том, как они могут объединиться, чтобы сформировать хорошо связанную сеть в более широком масштабе».
В настоящее время команда производит еще несколько вариантов материала для дальнейшего улучшения и проверки своих свойств. Но одна морщинка в их процессе может обеспечить значительное преимущество в определении того, какие материалы будут полезны, а какие – нет – и, возможно, даже более выгодные для конкретных целей. Эта новая и очень необычная морщина – это музыка.
Различные уровни структуры шелка, по словам Бюлера, аналогичны иерархическим элементам, составляющим музыкальную композицию, включая танг, диапазон, динамику и темп. Команда заручилась поддержкой композитора Джона Макдональда, профессора музыки в Тафтсе, и MIT postdoc Дэвида Спивака, математика, специализирующегося в области под названием теория категорий. Вместе, используя аналитические инструменты, полученные из теории категорий для описания белковых структур, команда выяснила, как перевести детали структуры искусственного шелка в музыкальные композиции.
Различия были весьма отчетливыми: сильные, но бесполезные молекулы белка были переведены в музыку, которая была агрессивной и жесткой, говорит Буэлер, в то время как те, которые формируют используемые волокна, звучат намного мягче и более жидкие.
Буэлер надеется, что это можно сделать еще дальше, используя музыкальные композиции, чтобы предсказать, насколько могут быть выполнены новые вариации материала. «Мы ищем принципиально новые способы разработки материалов», – говорит он.
Комбинируя моделирование материалов с помощью математических и музыкальных инструментов, Buehler говорит, может обеспечить гораздо более быстрый способ разработки новых биосинтезированных материалов, заменив применяемый сегодня метод проб и ошибок. По его словам, генетически инженерные организмы для производства материалов – это долгий, кропотливый процесс, но эта работа «научила нас новому подходу, фундаментальному уроку» в сочетании экспериментов, теории и моделирования, чтобы ускорить процесс обнаружения.
Полученные таким образом материалы, которые могут быть выполнены в условиях окружающей среды, благоприятных при комнатной температуре, могут привести к появлению новых строительных блоков для тканевой инженерии или других видов использования, Buehler говорит: леса для замещающих органов, кожи, кровеносных сосудов или даже новые материалы для использования в гражданском строительстве.
Эллиот Шварц, почетный профессор музыки в Bowdoin колледже, говорит: «На протяжении веков, математики, логики и наук обеспечили важные модели для музыкальных структур, процессов и нашего понимания звуковых материалов. Настоящее исследование вполне может привести к еще одной важной главе в этой текущей истории взаимного взаимодействия ».
Может быть, сложные музыкальные структуры могут выявить лежащие в основе сложные структуры биоматериалов, найденных в природе, говорит Бюлер. «В музыке может быть основное структурное выражение, которое говорит нам больше о белках, которые составляют наши тела. В конце концов, наши органы, в том числе и мозг, сделаны из этих строительных блоков, и выражение музыки людей может непреднамеренно включать в себя больше информации, о которой мы знаем ».
«Никто не постучал в этом,» говорит он, добавив, что с широтой его междисциплинарной команды, «Мы могли бы сделать это – сделать лучшие био-вдохновил материалов с использованием музыки, и использовать музыку, чтобы лучше понять биологию.»