Учёные раскрыли секрет самых твёрдых зубов в природе — у моллюсков хитонов

Автор: Pixabay/CC0 Public Domain

Исследователи из Калифорнийского университета в Ирвайне, а также университетов Окаямы и Тохо (Япония) провели первое в своём роде исследование, чтобы понять, как моллюски хитоны, питающиеся водорослями на прибрежных скалах, развивают такие твёрдые, износостойкие и магнитные зубы. Их открытие вдохновляет на создание новых передовых материалов для различных применений.

Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

Команда учёных раскрыла процесс, с помощью которого специфические железосвязывающие белки RTMP1 транспортируются в формирующиеся зубы через наноскопические канальцы — микроворсинки. Место и время отложения белков строго контролируются, что обеспечивает создание прочной и жёсткой зубной структуры, позволяющей хитонам совершать повторяющиеся абразивные движения, от которых зависит их выживание.

«Зубы хитонов, состоящие из наностержней магнетита и органического материала, не только твёрже и жёстче человеческой зубной эмали, но и превосходят по твёрдости высокоуглеродистую сталь, нержавеющую сталь, а также оксид циркония и оксид алюминия — передовые инженерные керамики, создаваемые при высоких температурах», — пояснил соавтор исследования Дэвид Кисайлус, профессор материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Ирвайне.

Хитоны отращивают новые зубы каждые несколько дней, и эти зубы превосходят материалы, используемые в промышленных режущих инструментах, шлифовальных средах, зубных и хирургических имплантатах, а также защитных покрытиях. При этом они формируются при комнатной температуре и с наноразмерной точностью. «Мы можем многому научиться у этих биологических конструкций и процессов», — добавил Кисайлус.

В мире насчитывается более 900 видов хитонов, большинство из которых обитает в приливно-отливных зонах. Хотя их можно встретить, например, в Кристал-Коув и Лагуна-Бич недалеко от кампуса UC Irvine, изучаемые в этом исследовании особи значительно крупнее и живут у северо-западного побережья США и у берегов Хоккайдо в Японии.

Исследователи обнаружили, что белки RTMP1 присутствуют у хитонов в разных уголках мира, что, по словам Кисайлуса, указывает на «конвергентный биологический механизм контроля отложения оксида железа».

Учёные использовали комбинацию передовых методов материаловедения (сверхвысокого разрешения электронной микроскопии, рентгеновского анализа и спектроскопии) и молекулярно-биологических подходов (иммунофлуоресценции, отслеживания экспрессии генов и РНК-интерференции), чтобы раскрыть полную молекулярную картину формирования зубов хитонов.

«Объединив биологические и материаловедческие подходы в рамках глобального сотрудничества, мы выяснили, как создаётся один из самых твёрдых и прочных биологических материалов на Земле», — подчеркнул Кисайлус.

Это открытие не только углубляет понимание клеточного метаболизма железа, но и открывает новые возможности для синтеза материалов следующего поколения — от батарей и катализаторов топливных элементов до полупроводников и экологически чистых методов 3D-печати.

Дополнительная информация: Michiko Nemoto, Radular teeth matrix protein 1 directs iron oxide deposition in chiton teeth, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adu0043

Источник: University of California, Irvine