Необычное поведение частиц глины в суспензии озадачило ученых.
Обычное развитие событий - от фундаментальных исследований к прикладным. Но случай, о котором пойдет речь, особый. Выполняя проект, имеющий выраженную практическую направленность, ученые натолкнулись на удивительное явление, ставящее под сомнение результаты знаменитого классического эксперимента Миллера - Юри, в котором моделировались гипотетические условия раннего периода развития Земли для проверки возможности химической эволюции.
Но обо всем по порядку.
Галлуазит - глинистый материал, который оказался очень перспективным для исследований в химической инженерии и биомедицине благодаря своей микроструктуре. Он состоит из нанотрубок, которые могут быть использованы как контейнер для переноса лекарств или других полезных веществ.
Галлуазитом не первый год занимается Равиль ФАХРУЛЛИН, доктор биологических наук, главный научный сотрудник Института фундаментальной медицины и биологии Казанского федерального университета (КФУ). На счету его научной группы уже порядка 70 статей на эту тему. Были публикации и в «Поиске».
Два проекта, которые Р.Фахруллин со своим научным коллективом выполняли при поддержке Российского научного фонда, были связаны, в частности, с использованием коллоидных частиц галлуазита в косметологии - для окраски и лечения волос. Красители или лекарственные препараты помещаются внутрь нанотрубок галлуазита, которые наносятся на волосы. Прикрепляясь к волосам, глинистые частицы улучшают их структуру, а красители, многие из которых токсичны, меньше контактируют с кожей головы. Краска высвобождается равномерно и лучше прокрашивает волосы. Второй проект (№20-13-00247, 2023-2024) был продолжением первого (№20-13-00247, 2020-2022), поэтому и назывался так же: «Инженерия поверхности волос: модификация волокнистых материалов биологического происхождения с помощью функциональных керамических наноконтейнеров».
При реализации первого проекта были разработаны эффективные методы модификации волос человека и шерсти животных, а также текстильных волокон с помощью коллоидных неорганических частиц, в том числе и нанотрубок галлуазита с красителями, макромолекулами и лекарственными препаратами внутри. Во втором проекте объектом исследования стали происходящие при этом фундаментальные процессы. Вот тут и обнаружились неожиданные и интересные вещи.
При добавлении в воду галлуазит образует суспензию. Посмотреть, что происходит в ней в режиме реального времени, с помощью обычного оптического микроскопа не удается. Однако это можно сделать, используя темнопольный микроскоп. Он делает видимыми маленькие частицы, которые в обычный оптический микроскоп не видны. Ученый приводит понятную аналогию: так звезды, незаметные на дневном небе, ярко сияют на ночном.
Ловушка с клетками. Темнопольная микроскопия.
Известно, что нанотрубки галлуазита на внешней поверхности несут отрицательный заряд, на внутренней - положительный. Капелька воды с растворенным галлуазитом (суспензия) под темнопольным микроскопом представляет собой черное поле с беспорядочно двигающимися светящимися «точками» и «палочками»: они мельтешат, отталкиваясь друг от друга, как и полагается одноименно заряженным частицам.
– Обычно «палочек» в суспензии намного меньше, чем «точек», - порядка 3-5%, - рассказывает Р.Фахруллин. - Но нам удалось найти образцы галлуазита, где «палочек» было очень много. Изучая коллоидную стабильность суспензии, мы обнаружили, что она очень устойчивая, несмотря на то, что частицы достаточно крупные и, по идее, под силой собственной тяжести должны довольно скоро осесть на дно. В серии экспериментов мы брали суспензию галлуазита, оставляли ее на несколько дней, потом изучали. И обнаружили интересное явление: небольшая, может быть, меньше процента (посчитать точно было нельзя, так как картинка все время меняется из-за движения частиц), часть «палочек» образовывала устойчивые агрегаты в виде галочки, буквы «Т» или буквы «Х». Чаще всего соединялись по две частицы, изредка по три. Почему?
Первым делом изучили поверхность «палочек» (они же нанотрубки). В принципе, она выглядит ровной, но встречаются сколы и царапины. Стенка нанотрубки состоит из слоев оксида кремния, несущего отрицательный заряд, и оксида алюминия, который заряжен положительно. Невозможно какой-то один участок выделить и измерить его заряд, подчеркивает ученый, но можно предположить, что какие-то участки со сколами заряжены положительно и поэтому притягивают частицы с отрицательным зарядом. Когда в суспензию из отрицательно заряженных нанотрубок галлуазита добавили отрицательно заряженные шарики (сферы) полистирола, шарики плавали рядом с «палочками» (как одноименно заряженные), но в ряде случае они очень крепко к ним «прилипали» и не отрывались при вращении в воде.
Вроде все ясно. Но как объяснить, что в суспензии встречались агломераты из отдельных двух, трех и более «палочек», как будто связанных невидимой нитью? Они вращались друг относительно друга, и, несмотря на то, что расстояние между ними незначительно менялось, не «отплывали». Были даже обнаружены устойчивые скопления из четырех-пяти «палочек» (а где-то даже десятка!), как будто вьющихся вокруг одного общего центра. Ничем не скрепленные, они дергались, но не разлетались.
– Никакого рационального объяснения этому явлению не было, - продолжает ученый и открывает еще пару видео на своем планшете. - Вот так вот движутся частицы, связанные между собой электростатистически, жестко. А вот так - частицы, между которыми вроде бы ничего нет, но их тем не менее что-то держит. Я сам проводил этот эксперимент, был поражен увиденным, и первый образ, который возник, - «пустышка» из «Пикника на обочине» Стругацких: два диска и пустота между ними.
Суспензию галлуазита решили посмотреть под атомно-силовым микроскопом. И увидели: в основном все частицы располагались обособленно, однако между некоторыми протянулись «наномостики» - тяжи разной длины, очень тонкие, высотой всего 1-2 нанометра.
Оставалось понять, что это такое.
– Первая же идея, которая возникает у биолога: это может быть что-то, связанное с биологией, - объясняет ученый. - Вода очищенная, в ней нет большого количества ионов неорганических веществ, которые могли бы влиять на расположение «палочек», а вот какой-нибудь микроб вырасти может. В любой воде микробы растут, если она не стерильная и не хранится в стерильных условиях. Изучая литературу, мы нашли информацию о прозрачных экзополимерных частицах (ЭПЧ). Образуемые ими наногели и микрогели находят в неочищенной природной воде. Если взять воду из любой речки, профильтровать ее и окрасить специальным красителем (альциановым синим), она приобретет соответствующую окраску. Это сейчас - единственный способ определить наличие в ней экзогенных полимерных частиц. Они хорошо известны, так как создают большие проблемы при очистке воды - засоряют мембраны.
Стандартный микробиологический анализ воды, с которой мы проводили эксперименты, показал, что это абсолютно стерильная жидкость, без каких-либо определяемых микроорганизмов. Но далеко не все микроорганизмы можно определить, большая часть из них вообще не культивируема. И в нашей воде могли быть такие некультивируемые микроорганизмы. Им даже необязательно быть живыми, они могут быть и мертвыми, тогда и микробиологический анализ их присутствие не покажет (это еще до нас открыли другие исследователи), но их компоненты способны формировать биополимерные структуры, которые удерживают друг с другом коллоидные частицы.
Стало понятно, что, скорее всего, мы имеем дело с такими частицами. Изучая их под микроскопом, мы выяснили, что наши ЭПЧ гораздо меньше тех, что были описаны для природных вод, но совпадают по морфологии. Так мы определили, что «мостики» между наночастицами галлуазита состоят из нерастворимых биополимеров, которые в виде гелей находятся в воде. Их самопроизвольно формируют их растворимые «предшественники». И даже если очистить воду от всех микроорганизмов, такие наногели все равно останутся в воде.
По химическому составу «предшественники» бывают разными: полисахариды, белки, нуклеиновые кислоты… То есть в воде присутствует такой «компот» из разных биологических компонентов, точный состав которого неизвестен. К тому же не все компоненты окрашиваются альциановым синим.
В следующем эксперименте мы решили посмотреть, что будет, если воду очистить максимально, насколько это сегодня возможно, всеми известными методами, после чего на ее основе подготовить суспензию из абсолютно стерильного галлуазита. Загадочные агломераты нанотрубок встречались в ней в значительно меньших количествах, чем прежде, но тем не менее они встречались! И это запечатлено в наших видеозаписях.
Но и это еще не все. В некоторых случаях в чистой, но не стерильной воде были обнаружены довольно крупные «шарики», покрытые, как иголками ежики, «палочками» галлуазита. При изучении внутри «шариков» были обнаружены микробные клетки. Это было в 2023 году. И примерно в то же время вышла статья, авторы которой занимались совершенно другой темой. Объектом их изучения стали динофлагелляты - одноклеточные живые организмы, обладающие свойствами как растений (водорослей), так и животных. При одних обстоятельствах они ведут себя как водоросли, при других - как гетеротрофные организмы. Работая с динофлагеллятами, собранными в море вблизи Австралии, ученые выяснили, что эти организмы формируют особые структуры - ловушки: туда они заманивают более крупные клетки, хранят их там какое-то время и потом поедают. Предполагаю, что подобные организмы есть и в пресной воде. Ловушки тоже состоят из полисахаридов, как и ЭПЧ, и поэтому галлуазит прикрепляется к ним по такому же механизму.
Р.Фахруллин показывает еще несколько видео. Внутри «шарика», облепленного «палочками» галлуазита, видна клетка, она выглядит как округлая тень. В другом «шарике» таких теней две.
Ученый подытоживает, в чем важность проведенной его группой работы.
– Мы показали, что связывание одноименно заряженных частиц в коллоидном растворе галлуазита в воде в ряде случае объясняется не структурой воды, не ионами, которые в ней находятся, а биологическими частицами, которые присутствуют в ней независимо от степени ее очистки. Даже в воде очищенной и деионизированной часть биополимеров может оставаться на самих коллоидных частицах. Если они прикрепились, удалить их практически невозможно. Кроме того, биополимеры могут самопроизвольно сформироваться в абсолютно чистой, профильтрованнной воде, поскольку там присутствуют их растворимые предшественники, которые через какое-то время образуют нано- и микрогели. Это важный вывод для коллоидной химии: раскрыт механизм притягивания одноименно заряженных частиц.
Но еще более важно другое: в химии все результаты исследований в водных растворах получены без учета присутствия еще одного компонента в среде. То есть при любой реакции, где вещество А взаимодействует с веществом В, не учитывается биологический компонент, о котором неизвестно ничего: ни его состав, ни структура, ни количество. В ряде случаев этим можно пренебречь, но не всегда. Когда, например, речь идет об изучении работы ферментов, мы не знаем, какая часть ферментов прикрепляется к биополимерам, присутствующим в воде. Когда мы изучаем иммунные процессы, одна и та же вода (якобы одна и та же) в разных экспериментах может на самом деле сильно отличаться самим фактом разного присутствия прозрачных экзополимерных частиц. Наконец, вспомним знаменитый эксперимент Миллера - Юри по определению механизма возникновения жизни на Земле. Ученые брали воду, кипятили ее; пар попадал в камеру с высокой концентрацией углекислого газа и аммиака. Потом через эту камеру пропускали электрические разряды. После чего в собранном водном конденсате были обнаружены аминокислоты, что, согласно выводам исследователей, подтверждало гипотезу химического происхождения жизни на планете. Все замечательно, но вода-то была не очищена от экзополимерных частиц.
– Мы не можем однозначно утверждать, что выводы Миллера - Юри недостоверны, но вероятность этого есть, поскольку теперь ясно, что ЭПЧ присутствуют в любой воде, - считает Р.Фахруллин. - Земля существует 4,54 миллиарда лет, жизнь - 3,9 миллиарда. Все, что живет, умирает, и все так или иначе попадает в воду. Масса мертвого органического вещества в Мировом океане на порядки превышает массу живого. То есть, по всей видимости, вода, которая используется для экспериментов в науке как якобы нейтральная среда, на самом деле не совсем нейтральна. Но какие в ней есть биополимеры, как их выделить, как очистить воду, мы не знаем. Все работы в этой области пока были связаны с решением двух задач. Первая: как сделать воду пригодной для питья (не абсолютно чистой, а не совсем грязной). Вторая: как бороться с биопленками. Микробы редко живут отдельно, они чаще всего прикрепляются к поверхности, и там их колония начинает расти. Уничтожить такие биопленки на ранах, на слизистых и т. п. очень сложно. И было показано, что в их формировании принимают участие прозрачные экзополимерные частицы, которые первыми прикрепляются к поверхности, и потом уже вокруг них растет микробное сообщество.
Мы не ставили задачу обнаружить в воде экзогенные биополимеры. Это был незапланированный результат поиска ответа на практический вопрос, как быстро оседает суспензия галлуазита, как долго она будет в шампуне находиться во взвешенном состоянии.
Почему же раньше экспериментаторы не обращали внимания на присутствие в воде экзогенных полимеров?
– Мы это увидели потому, что работали не с совокупностями частиц, а наблюдали за одиночными частицами, - объясняет Р.Фахруллин. - Это технически сложно, и у большинства исследователей в приоритете другие методы. Заряд измеряют у миллиардов частиц, и усредненное значение будет в нашем случае отрицательным. Но при этом у всех частиц на поверхности, в целом заряженной отрицательно, есть незначительные участки с положительным зарядом. Их невозможно уловить, когда оперируешь миллиардами элементов, и можно увидеть, когда наблюдаешь за единицами. А если совсем кратко, никто до нас не сидел за темнопольным микроскопом в течение многих часов на протяжении двух лет.
По незапланированному результату выполнения проекта РНФ недавно была опубликована статья под названием «Самосборка нанотрубок галлуазита в воде за счет гетерогенного поверхностного заряда и экзополимерных биогенных частиц» в международном журнале Applied Clay Science.
Наталия БУЛГАКОВА
Фото предоставил Равиль Фахруллин
