Марганец и кальций упрочнили коготки пауков

Работа опубликована в журнале Advanced Functional Materials.

Когти, жала и клыки животных долгое время совершенствовались для более успешного прокалывания жертвы, разрезания ее тканей и сцепления с поверхностью. Они, как и многие другие природные структуры, строятся из небольшого множества материалов: полисахаридов вроде хитина и целлюлозы, белков, подобных кератину, коллагену и фиброину, и минералов (карбоната и фосфата кальция и оксида кремния). Несмотря на это, механические свойства биоматериалов обширны, в основном за счет неоднородности состава и иерархичной архитектуры.

Примером такого материала может служить кутикула членистоногих. У пауков она лежит в основе коготков на лапках, а также хелицер. Коготки помогают им передвигаться, карабкаться и цепляться за грубые поверхности. А с помощью хелицер животное протыкает экзоскелет жертвы и впрыскивает под него яд. Кутикула состоит из нитевидной прокутикулы и внешней эпикутикулы. В них хитин-белковые волокна складываются либо в слои с параллельным направлением нитей, либо в структуру переплетенной фанеры, в которой направление хитиновых кристаллов меняется от слоя к слою.

Такое непостоянство структуры волокон приводит к значительным изменениям в механических свойствах кутикулы в разных частях тела одного животного. Более того, у пауков Cupiennius salei хелицеры локально упрочняются за счет перекрестного сшивания гистидиновых участков белков ионами цинка. Процессы минерализации в большей степени распространены у ракообразных, но и другие членистоногие аккумулируют ионы цинка, марганца и кальция в кутикулярных приспособлениях (например, у насекомых в жалах, челюстях и яйцекладах). Механическое поведение кутикулы изучено в значительной степени, однако масштабного анализа взаимосвязи между ее структурой, свойствами и функциями проведено не было. Такой анализ позволил бы установить механизм адаптации к специальным функциям на уровне материала.

Мариам Тадайон (Maryam Tadayon) и Яел Полити (Yael Politi) с коллегами из Института коллоидов и поверхностей Общества Макса Планка и Университета имени Бен-Гуриона смоделировали механическое напряжение на коготках Cupiennius salei и определили, как на их разных частях структура кутикулы адаптируется к нагрузкам, а затем сравнили адаптированные структуры хелицер и коготков паука с другими биологическими объектами.

Внешний вид коготка паука: крюк и гребешок

Maryam Tadayon et al. / Advanced Functional Materials, 2020

Рассчитанное распределение механических напряжений по коготку паука при двух видах нагрузки

Maryam Tadayon et al. / Advanced Functional Materials, 2020

Коготок паука состоит из крюка и гребешка. Ученые смоделировали методом конечных элементов распределение механического напряжения при нагрузке двух типов: давление на кончик крюка во время ползания или давление на среднюю часть коготка, когда на нем что-то повисает. В первом случае максимум напряжения возникал и в основании крюка, и на двух его сторонах, в то время как при нагрузке типа подвеса большое напряжение испытывало только основание крюка. После этого ученые подробно рассмотрели эти области с помощью сканирующего электронного микроскопа. Толщина эпикутикулы для внутренней части крюка (четыре-пять микрон) оказалась больше, чем для внешней части (около одного микрона).

Электронные микрофотографии срезов паучьего коготка

Maryam Tadayon et al. / Advanced Functional Materials, 2020

Распределение элементов по коготку

Maryam Tadayon et al. / Advanced Functional Materials, 2020

С помощью малоуглового и широкоуглового рентгеновского рассеяния ученые построили карту направлений волокон хитина и среднее расстояние между волокнами в слое, а затем определили плотность упаковки хитиновых волокон. Максимум плотности оказался в основании крюка. В механизмах упрочнения большую роль играет склеротизация (образование перекрестных ковалентных связей в белковой матрице) волокон, проявления которой связывают с потемнением кутикулы относительно остального участка.

На фотографиях, полученных с помощью просвечивающей электронной микроскопии, заметно, что потемнения кутикулы происходили на внешней области коготка, в особенности на кончике крюка и в его основании. Ученые проследили за распределением неорганических элементов по участкам коготка с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии. Помимо ожидаемых углерода, азота и кислорода, авторы статьи обнаружили значимые количества катионов марганца и кальция, а также хлорид- и сульфид-анионов. Сера в основном находится ближе к полости коготка, в то время как хлор распределен равномерно по всей структуре. Марганец и кальций содержатся в поверхностном слое толщиной в 15 микрометров и во внутренней полости коготка.

Внедрение ионов металлов в матрикс кутикулы и структурная анизотропия в большой степени влияют на механические свойства. Чтобы эти свойства установить, исследователи надавливали на некоторых участках коготка наноиглой и получили реальное распределение модуля Юнга и твердости по положению на коготке. Результаты этих промеров полностью согласуются с моделированием: максимально жесткие участки располагаются в основании крюка.

Внешний вид коготка на оптическом микроскопе - в темных участках больше соединительной ткани

Maryam Tadayon et al. / Advanced Functional Materials, 2020

Измеренный коэффициент износостойкости в зависимости от положения на крючке коготка в сухих условиях и в увлажненных условиях

Maryam Tadayon et al. / Advanced Functional Materials, 2020

Для оценки вклада ионов металлов в прочность паучьих коготков ученые обработали их хелатирующим агентом ЭДТА. Это позволило вымыть из коготка половину ионов марганца и кальция, после чего жесткость и твердость коготка уменьшились вдвое. Выдерживание таких обработанных коготков в растворах хлорида марганца и хлорида цинка привело к восстановлению 75 и 65 процентов от их первоначальной прочности.

Отношение куба твердости к квадрату модуля упругости часто используют в качестве характеристики износостойкости. Одной из самых износостойких областей коготка оказался его кончик, но чтобы подтвердить зависимость глубины износа от содержания ионов металлов ученые царапали поверхность наноиглой в течение десяти циклов. В области, обедненной металлами, глубина царапины составила 460 нанометров, а в обогащенном ионами кальция и марганца — 21 нанометр. Обогащенный цинком регион хелицеры не настолько износостойкий: при большой концентрации цинка глубина трещины составила 31 нанометр.

Диаграмма Эшби для разных частей кутикулы паука в разных состояниях (D - сухой, H - влажный)

Maryam Tadayon et al. / Advanced Functional Materials, 2020

Диаграмма Эшби биоматериалов, износостойкость определяется по верхнему-правому углу

Maryam Tadayon et al. / Advanced Functional Materials, 2020

Полученные данные по твердости и упругости ученые наложили на диаграмму Эшби и сравнили разные участки коготков и хелицер с другими биологическими материалами. Стойкость к трению у коготков оказалась выше, чем у многих полностью органических материалов, как в клюве кальмара, и у материалов с добавкой цинка, как в челюстях многощетинкового червя нереиды, и сравнимой с износостойкостью эмали и перламутра.

Авторы статьи до конца не понимают, связана ли такая повышенная прочность только с присутствием ионов металлов или с другими структурными особенностями, хотя эксперимент с упрочнением коготка в растворах солей поддерживает гипотезу о доминантной роли ионов марганца и кальция в процессах связывания белковых структур между собой. При этом цинк образует больше координационных связей, чем марганец и кальций, за счет чего повышается твердость хелицеры, а марганец образует более прочные связи в подобных комплексах, что может являться причиной повышения жесткости кутикулы коготка. Понимание, как животные достигают нужных механических свойств, приведет к оптимальным стратегиям к получению материалов с заданными характеристиками.

Пауки уже давно завораживают исследователей и сподвигают на подражание их структуре и образу жизни. Например, два года назад американские биохимики получили искусственную паутину с увеличенной прочностью, чем у природного аналога. В том же году российские биологи и биофизики показали, что яд паука-бокохода может помочь справиться с параличом, заполняя собой брешь в мембране, через которую проходят лишние ионы.