Międzynarodowy zespół naukowców pod kierownictwem prof. Dariusza C. Góreckiego z Uniwersytetu w Portsmouth (Wielka Brytania) odkrył sekrety najtwardszego materiału wytwarzanego przez żywy organizm. 

Skałoczep (pol. Czaszołka pospolita, łac. Patella vulgata) to mięczak, którego można znaleźć przytwierdzonego do skał w strefie pływów -obszar wybrzeża między poziomem morza przy przypływie i odpływie (Rycina 1). 

Rycina 1. Czaszołka przytwierdzona do skał staje się widoczna w okresie odpływu morza (Foto Alex Ford).

Czaszołki żywią się glonami, zeskrobując je za pomocą mikroskopijnych zębów tak twardych, że mogą zostawiać ślady zadrapań na skalistej powierzchni. Zęby te są wykonane z unikalnego materiału kompozytowego składającego się z elastycznej chitynowej matrycy polisacharydowej wzmocnionej nanowłókienkami kryształów tlenku żelaza (goethyt, α-FeO(OH)), co zapewnia im najwyższą zarejestrowaną wytrzymałość na rozciąganie i moduł sprężystości spośród wszystkich materiałów występujących w przyrodzie (4,90+ /-1,90 i 120+/-30 GPa). Wskaźnikami przewyższa jedwab pajęczy i jest porównywalny z włóknami węglowymi wytwarzanymi przez człowieka (Barber et al 2015).

„Nie wystarczy coś wiedzieć, trzeba też umieć to zastosować”  Johann Wolfgang von Goethe, na którego cześć minerał został nazwany goethytem. Minerał ten nadaje twardość zębom skałoczepa.

Materiały kompozytowe często mają lepsze właściwości mechaniczne niż ich poszczególne komponenty prekursorowe (Gibson 2016). W pełni syntetyczne kompozyty o korzystnych kombinacjach właściwości mechanicznych (np. Kevlar) są szeroko stosowane w inżynierii i medycynie, ale ich procesy produkcyjne mogą być toksyczne i kosztowne, a same produkty trudne w utylizacji (Flick i in. 2009; Wu i in. 2001; Anuradha i in. 2004; Espinosa i in. 2016). 

Dlatego też trwają poszukiwania nowych materiałów, które spełniają kluczowe wyzwania współczesnej inżynierii: przystępność cenowa, trwałość i zrównoważony rozwój poprzez ponowne wykorzystanie i recykling (Provis 2015). Podpatrywanie i naśladowanie natury może pomóc w generowaniu nowych produktów o wysokich parametrach mechanicznych, które mogą sprostać stawianym wymaganiom. Wyjątkowe właściwości mechaniczne zęba czaszołki wynikające ze ich specyficznego składu i struktury są ewolucyjnie zoptymalizowane pod kątem zdzierania pokarmu z powierzchni skał. Materiał sztuczny (biomimetyk) o podobnej wytrzymałości i elastyczności byłby pożądany w wielu różnych zastosowaniach.

Zespół biologów i inżynierów odkrył mechanizmy molekularne powstawania tego materiału, opracował nowe techniki pozwalające na hodowlę komórek i zębów skałoczepów i w warunkach laboratoryjnych wyprodukował próbki biomimetyka o podobnych właściwościach (Rumney et al., 2022).

Innowacja ta powstała na bazie dogłębnych badań molekularnych rozwoju zęba czaszołki. Ślimaki mają narząd zwany radulą, który jest swoistym przenośnikiem taśmowym rozwoju zębów, generującym nowe rzędy zębów przez całe życie mięczaka. 

W raduli można wyodrębnić charakterystyczne obszary, które zawierają zęby na różnych etapach rozwoju, ze stopniowym wzrostem ich poziomu mineralizacji (Rycina 2). 

Rycina 2: Rycina i obrazy mikroskopowe przedstawiające radulę. A. Radula ślimaka to struktura przypominająca język, wyłożony zębami znajdującymi się na różnych etapach rozwoju (źródło: Wikimedia). Można je zidentyfikować jako B. stadium I (niedojrzałe, niezmineralizowane), stadium II (wczesne dojrzewanie), C. stadium III (dojrzewanie późne) i D. stadium IV (dojrzałość). Ponieważ zęby w stadium IV są ścierane w użyciu, stale powstają nowe rzędy zębów.

Zespół badawczy, w ciągu pięciu lat pracy, zidentyfikował kluczowe procesy molekularne zachodzące na poszczególnych etapach powstawania zębów i opracował metody hodowli różnych komórek raduli. Niektóre z tych komórek, utrzymywane przez długi czas w hodowli, generowały pojedyncze zęby (Rycina 3). 

Rycina 3: Zęby wyhodowane na szalce Petriego. Obrazy mikroskopowe przedstawiające pojedyncze zęby, które wyrosły z komórek wyizolowanych z raduli skałoczepa i utrzymywanych w warunkach hodowli komórkowej przez 6 tygodni.

Dalsza analiza doprowadziła do odkrycia, że ​​podczas gdy rusztowanie chitynowe zęba jest wytwarzane przez komórki, mineralizacja zachodzi zewnątrzkomórkowo w obecności składników, które komórki uwalniają do środowiska, w tym przypadku pożywki hodowlanej. Odkrycia te doprowadziły do ​​opracowania nowego materiału syntetycznego opartego na sztucznie wykonanym rusztowaniu chitynowym zmineralizowanym w pożywce kondycjonowanej przez komórki (Rycina 4). 

Rycina 4: Nowy materiał oparty na zębie skaloczepa wytworzony sztucznie.

Rozpuszczoną chitynę elektroprzędzono w małe rusztowania, które mineralizowały nanokryształami tlenku żelaza w obecności kondycjonowanej pożywki z hodowli komórkowych raduli  z etapu III i IV. Dane z AFM (mikroskopu sił atomowych) wykazujące, że takie zmineralizowane rusztowania mają sztywność porównywalną do arkuszy polipropylenu (PP) i polimetylopentenu (PMP).

Ten twardy, ale elastyczny biomimetyk jest wytwarzany z chityny ekstrahowanej z egzoszkieletów skorupiaków, która nie tylko jest bioodpadem, ale ma dodatkową zaletę, że po wykonaniu zadania może być rozkładana przez czynniki środowiskowe. Dlatego ten materiał, po dalszej optymalizacji pod względem właściwości i procesów produkcyjnych, mógłby potencjalnie zostać użyty jako nowatorski zamiennik dla, niedegradowalnych, zanieczyszczających tworzyw sztucznych.

Dr Robin Rumney, pierwszy autor pracy, który w laboratorium opracował pionierskie metody hodowli komórek raduli, powiedział: „Był to naprawdę wyjątkowy i naprawdę ekscytujący projekt. Komórki i zęby mogą być hodowane poza organizmem skałoczepa, a ponadto znamy teraz geny zaangażowane na poszczególnym etapie powstawania zęba. Najbardziej ekscytującą częścią projektu było dla mnie odkrycie, że zęby skałoczepa można hodować na szalce Petriego! Nasz nowy materiał inspirowany takimi zębami ma ogromny potencjał, ponieważ jest mocny, a jednocześnie elastyczny, może być wytwarzany z odpadów pochodzących z rybołówstwa i ulega stopniowej biodegradacji, dzięki czemu stanowi alternatywę dla tworzyw sztucznych”.

Prof. Darek Górecki powiedział: „Dla mnie to wszystko zaczęło się jako projekt wynikający z ciekawości oraz wyzwanie: czy potrafimy hodować komórki z narządu skałoczepa, prześledzić a potem sztucznie naśladować cały proces tworzenia materiału zęba, o którego molekularnych podstawach nic nie wiedzieliśmy? Było to coś więcej niż pionierskie badanie podstawowe, w którym aplikacje w życiu codziennym nie są od razu widoczne. To był niemalże projekt typu „z motyką na słońce”. Jednakże, gdy taki projekt uda się zrealizować, to właśnie wtedy badania naukowe posuwają nas krok naprzód”.

Barber, A. H., Lu, D. & Pugno, N. M. Extreme strength observed in limpet teeth. J. R. Soc. Interface 12, (2015).

Gibson, R. F. Principles of Composite Material Mechanics. Principles of Composite Material Mechanics (2016). doi:10.1201/b19626.

Flick, B., Talsness, C. E., Jäckh, R., Buesen, R. & Klug, S. Embryotoxic potential of N-methyl-pyrrolidone (NMP) and three of its metabolites using the rat whole embryo culture system. Toxicol. Appl. Pharmacol. (2009) doi:10.1016/j.taap.2009.02.024.

Wu, I. W., Lin, J. L. & Cheng, E. T. Acute poisoning with the neonicotinoid insecticide imidacloprid in N-methyl pyrrolidone. J. Toxicol. – Clin. Toxicol. (2001) doi:10.1081/CLT-100108494.

Anuradha, S., Arora, S., Mehrotra, S., Arora, A. & Kar, P. Acute renal failure following para-phenylenediamine (PPD) poisoning: A case report and review. Renal Failure (2004) doi:10.1081/JDI-200026722.

Espinosa, C., Esteban, M. Á. & Cuesta, A. Microplastics in Aquatic Environments and Their Toxicological Implications for Fish. in Toxicology – New Aspects to This Scientific Conundrum (2016). doi:10.5772/64815.

Provis, J. L. Grand challenges in structural materials. Frontiers in Materials (2015) doi:10.3389/fmats.2015.00031.

Rumney RMH, Robson SC, Kao AP, Barbu E, Bozycki L, Smith JR, Cragg SM, Couceiro F, Parwani R, Tozzi G, Stuer M, Barber AH, Ford AT, Górecki DC. Nature Communications 13:3753 (2022) doi.org/10.1038/s41467-022-31139-0