ХОЛОДНЫЕ КЛИМАТИЧЕСКИЕ ЗОНЫ И ИННОВАЦИИ В БИОМИМИКРИИ

Партнерский проект совместно с Ariel

От антифриз-белков в рыбной крови до более чистых ферментов в морских микроорганизмах — холодные климатические зоны Земли изобилуют замечательными инновациями, которые люди учатся воспроизводить...

Почему рыба не замерзает в Арктике? Такой вопрос может задать ребенок, и до недавнего времени у нас не было ответа. Природа полна таких загадок, задавая загадки ученым и вдохновляя на создание фильмов про супергероев.

Но в последние несколько десятилетий люди не только определили механизмы в основе таких способностей, но и научились их воспроизводить, что привело к появлению совершенно новой области исследований и разработок, сочетающей науку, технологии и инженерию — бионики.

Бактерии, живущие на водорослях, прикрепляются к поверхности растения с помощью биопленки в качестве клейкого агента. Когда они готовы двигаться дальше, то используют фермент для «отклеивания»; свойства этого фермента оптимизированы для использования в стиральном порошке.

Фото: Скотт Лесли / SCOTT LESLIE / MINDEN PICTURES

Но вернемся к рыбам. Температура арктических поверхностных вод зимой составляет чуть больше –1,8 градусов Цельсия, т. е. находится около точки замерзания соленой воды. Но рыбья кровь замерзает при температуре около –0,9 градусов Цельсия, что, на первый взгляд, делает Арктику неподходящей средой обитания. Если только в крови нет антифриза.

В 1960-х годах молекулярный биолог Артур де Врис обнаружил в рыбьей крови белок, который предотвращает образование частиц льда, эффективно снижая температуру замерзания крови. На тот момент не было понятно, как работает этот белок.

Более 40 лет спустя ученые выяснили, какой при этом происходит молекулярный процесс: белок замедляет обычно стремительное формирование связи в молекулах воды, тем самым предотвращая образование кристаллов льда. Это довольно хитрый трюк, который намного эффективнее, чем незамерзающая жидкость на лобовых стеклах транспортных средств, которая для эффективности должна активно формировать связь с молекулами воды.

Полярные медведи выглядят белыми, но их шерсть на самом деле прозрачна — она состоит из крошечных полых волос, отражающих свет, водостойких, а также очень легких. Эти качества вдохновили ученых на создание новейших «аэрогелевых» материалов для использования в аэрокосмической промышленности. 

Фото: Энди Мэнн / ANDY MANN

В настоящее время разрабатываются антифриз-белки (АФБ) для использования в различных категориях продуктов и услуг — от поддержания мягкости и отсутствия кристаллов льда в мороженом до сохранения клеток и тканей для биомедицинских исследований, лечения и создания сверхдолговечного бетона, устойчивого к повреждениям от замораживания и оттаивания.   

Белые медведи не замерзают до смерти благодаря другому методу, который впечатляет не меньше, учитывая, что иногда они целыми днями могут плавать в арктических водах. Они обладают тремя ключевыми свойствами адаптации, которые сохраняют их в тепле: толстый слой подкожного жира, черная кожа, поглощающая солнечные инфракрасные лучи и тепло собственного тела, и, наконец, плотный теплоизолирующий подшерсток и мех, состоящий из полых волосков, отражающих свет. Эту последнюю особенность исследователи использовали в качестве вдохновения для создания новейших материалов для исследования космоса. 

Рыба в арктических широтах выработала природный антифриз, который сохраняет ей жизнь в почти замерзающих водах. Химики применяют этот принцип для разработки нового поколения высокоэффективных антифризов для использования в различных отраслях промышленности.

Фото: Пол Никлен / PAUL NICKLEN

Белые медведи уникальные млекопитающие тем, что у них полые волосы — отсюда белая шерсть. Структура каждого волокна развивалась для оптимизации сохранения тепла и водостойкости, оставаясь при этом чрезвычайно легкой и гибкой — это необходимые качества в классе сверхлегких материалов, известных как аэрогели.  

В прошлом году команда ученых Китайского университета наук и технологий (УНК) разработала аэрогель на основе углерода, имитирующий полую структуру этих волос. Сплетая вместе микроскопические полые карбоновые трубки, они смогли сформировать небольшой блок материала, который был легче большинства других аэрогелей и  при этом обеспечивал лучшую тепло- и водостойкость по сравнению с шерстью белого медведя. Как только исследователи смогут воспроизвести свой лабораторный производственный процесс в промышленном масштабе, новый материал может широко применяться в аэрокосмической и строительной отраслях.

Кроме того, существует связь между водорослями в холодной воде и моющим средством для стирки. С 60-х годов в так называемых биологических моющих средствах используются ферменты для улучшения стирки, и ученые постоянно работают над повышением их эффективности, снова обращаясь за вдохновением к природе. Для Ariel это означало обратиться к крошечному микробу, который живет на водорослях...

Этот микроорганизм — бактерия— использует водоросли в качестве источника пищи и безопасного оазиса и крепится к поверхности водорослей. Когда она готова двигаться дальше, она высвобождает фермент, чтобы оторваться от водоросли и уплыть в океан. Исследователи из Университета Ньюкасла поняли, что этот фермент можно разработать для использования в потребительских продуктах.

Это не означает, что ученые собирают водоросли для производства моющего средства — специфический фермент фосфодиэстеразы в природе стал прототипом, на основе которого исследователи под руководством научно-исследовательского стипендиата Ariel Нила Ланта, и в сотрудничестве с биотехнологическим партнером Novozymes смогли разработать белок, который значительно улучшил характеристики биологических моющих средств Ariel. Этот процесс сначала включал определение аналогичного фермента с оптимальными по своей природе характеристиками, а затем оптимизацию его аминокислотной последовательности для достижения необходимого баланса стабильности и эффективности в жидком моющем средстве для стирки.  

Конечным продуктом является Purezyme — запатентованный фермент, который высокоэффективно удаляет липкие загрязнения с текстиля даже в более холодной воде, при этом безвредно расщепляясь при очистке сточных вод и направляясь обратно в водяной цикл.

Бионика напоминает нам об удивительной изобретательности эволюции. Не только в чудесных свойствах природы, но и в том, что эволюция привела к появлению вида — человека — который может выступать в качестве ее агента, привнося эту изобретательность в новые сферы: от транспортных средств, способных отправиться в космос, до таблеток, которые мы используем в стиральных машинах для стирки одежды. 

И поскольку природа является источником всех этих инноваций, включая нас, мы должны защищать ее. Мы можем многое сделать, чтобы изменить ситуацию к лучшему. Например, в Европе в среднем до 60 процентов выбросов парниковых газов от стирки происходит в результате нагрева воды в стиральных машинах — больше, чем от упаковки или ингредиентов. Уменьшение температуры всего на несколько градусов может значительно снизить потребление энергии.