Новости химической науки > Компьютер решает проблему яичной скорлупы

Исследователи из Университетов Уорика и Шеффилда использовали методы компьютерной химии для того, чтобы выяснить, как происходит образование яичной скорлупы. Результаты их работы могут отчасти ответить на старый вопрос: «Что было раньше – курица или яйцо?»

Связывание белка OC-17 с карбонатом кальция. (Рисунок из Angew. Chem. Int. Ed., DOI:10.1002/anie.201000679)

В контексте результатов работы ответом будет «Курица», а точнее белок особого строения, вырабатываемый организмом курицы. Этот белок способствует контролю роста кристаллов, являющемуся ключевым для образования яичной скорлупы.

Исследователи давно знали, что в образовании яичной скорлупы должен участвовать белок, входящий в ее состав – овокледидин-17 [ovocledidin-17 (OC-17)]. Белок локализован лишь в неорганической части скорлупы (ее твердой части), лабораторные испытания показали, что ОС-17 оказывает влияние на кристаллизацию карбоната кальция (CaCО₃) в форме кальцита, хотя механизм того, как образование кристаллов кальцита в настоящем яйце до настоящего времени оставалось неясным.

Марк Роджер (Mark Rodger) и Дэвид Квигли (David Quigley) использовали мощный метод компьютерной химии, известный как метадинамика, (metadynamics) для изучения того, как происходит образование скорлупы.

Доктор Квигли поясняет, что метадинамика представляет собой модифицированную версию компьютерных методов молекулярной динамики [molecular dynamics (MD)]; эта версия особенно успешно может применяться для изучения переходов между неупорядоченным и упорядоченным состояниями вещества.

С помощью метадинамики исследователи из Уорика и Шеффилда смогли смоделировать процесс связывания белка - овокледидина-17 с аморфным карбонатом кальция. Было обнаружено, что это связывание происходит за счет аргининовых остатков, входящих в состав белка. Домены белка, содержащие остатки аргнинина, играют роль своеобразной химической «прищепки», связывающейся с наноразмерными частицами аморфного карбоната кальция.

Такое связывание CaCО₃ с ОС-17 приводит к тому, что аморфные наночастицы карбоната кальция трансформируются в кристаллические зародыши кальцита, выступающие в качестве центров кристаллизации остального неорганического материала яичной скорлупы, однако в ряде случаев «химическая прищепка» не работает и OC-17 десорбируется с поверхности наночастиц, не вызывая их перехода в кальцит.

По словам профессора Роджера, расчеты показывают, что для наночастиц карбоната кальция различного размера реализуется одна и та же картина химического связывания с аргининовыми остатками ОС-17, однако прочность связывания белка с большими по размеру наночастицами значительно меньше – в соответствии с расчетами вероятность десорбции овокледидина-17 с набольших по размеру аморфных наночастиц CaCО₃ гораздо ниже, однако и в этом случае десорбция белка происходит после нуклеации карбоната кальция и образования кальцитовых кристаллитов.

Таким образом, на основании расчетов исследователи предложили чрезвычайно элегантный процесс образования яичной скорлупы, происходящий в режиме каталитического цикла, включающего регенерацию ответственного за кристаллизацию белка OC-17 – белок инициирует переход карбоната кальция из аморфного в кристаллическое состояние, а после того, как кристаллиты кальцита становятся достаточно большими для дальнейшей самопроизвольной кристаллизации, десорбируется с поверхности упорядоченного карбоната кальция.

Исследователи уверены, что информация об элегантном и эффективном способе инициирования и контроля кристаллизации в живой природе может оказаться весьма полезной для теоретического исследования и практического осуществления кристаллизации в лабораторных или промышленных условиях.

Источник: Angew. Chem. Int. Ed., DOI:10.1002/anie.201000679

метки статьи: #биохимия, #квантовая химия, #физическая химия, #химия поверхности, #химия полимеров