Для изготовления искусственных суставов и зубных имплантатов часто используют титан — очень прочный биосовместимый материал. Однако металлам недостаёт свойств настоящих костей и зубов, поэтому учёные продолжают разработку новых материалов, которые бы быстрее прирастали и лучше приживались. Исследователи из японского Института физико-химических исследований (яп. 理化学研究所 Rikagaku Kenkyūsho) создали биологически активные молекулы, способные прикрепляться к гладким поверхностям. Результаты работы опубликованы в журнале Angewandte Chemie.
Для того чтобы ускорить процесс интеграции имплантата, можно использовать белки, которые ускоряют формирование костной ткани, например, инсулиноподобный фактор роста 1. «Мы подумали, что было бы интересно попробовать разные техники и прикрепить биологически активные белки — в нашем случае инсулиноподобный фактор роста 1, промотор пролиферации клеток (вещество, способствующее клеточному росту — прим. XX2 ВЕК) — к титановой поверхности, похожей на ту, что используют при изготовлении имплантатов», — говорит Чень Чжан (Chen Zhang), один из авторов исследования. К сожалению, титан плохо связывается с протеинами. Решить эту проблему японским учёным помогла биомиметика — разработка новых технологий по аналогии с теми, что уже существуют в природе.
Некоторые виды двустворчатых моллюсков, например, мидии, без труда прикрепляются к любым субстратам. В ноге этих животных располагается биссусовая железа — орган, выделяющий особый белковый секрет. При попадании в воду он застывает и образует плотные нити — биссус, — которыми моллюски оплетают камни, раковины или части грунта. Недавнее исследование показало, что причина уникальной «прилипчивости» биссуса — в белке леводопа, который плотно связывается даже с самыми скользкими материалами. У людей этот белок участвует в реакции, приводящей к образованию дофамина, поэтому его применяют для лечения болезни Паркинсона.
С помощью технологии конструирования рекомбинантных ДНК и обработки тирозиназой учёные создали гибридный белок, содержащий фрагменты инсулиноподобного фактора роста 1 (ИФР-1) и леводопы. Тесты показали, что ИФР-1 функционирует нормально, а составляющие белок аминокислоты благополучно сворачиваются в нужную трёхмерную структуру. Благодаря леводопе белок плотно прикрепляется к титановой поверхности и остаётся на ней даже после того, как металл омывают натрий-фосфатным буфером — водным раствором. «Он напоминает мощный клей мидий, который остаётся на металлических поверхностях даже под водой», — замечает Чжан.
«Мы очень взволнованны этим результатом, поскольку процесс модификации универсален, и его можно использовать с другими белками, — говорит руководитель научной группы Йошихиро Ито (Yoshihiro Ito). — Это позволит нам создать материалы, ускоряющие рост клеток, которые можно применять в системе клеточных культур и регенеративной медицине. И особенно интересно, что это пример биомиметики — подхода, при котором природа учит нас новым способам делать разные вещи. Благодаря озарениям, которые подарили нам моллюски, мы сможем жить более здоровой жизнью».
Рекомбинантная ДНК — искусственно созданная человеком последовательность ДНК, части которой могут быть синтезированы химическим путём с помощью полимеразной цепной реакции или клонированы из ДНК различных организмов.
Инсулиноподобный фактор роста 1 (ИФР-1, англ. IGF1) — белок из семейства инсулиноподобных факторов роста. Участвует в эндокринной, аутокринной и паракринной регуляции процессов роста, развития и дифференцировки клеток и тканей организма, влияет на формирование костной ткани.