Найден первый биологический сегнетоэлектрик

K5Wm61Wyoyo1

Белок эластин оказался способен спонтанно приобретать электрическую поляризацию.

Ученые из США и Китая обнаружили первое сегнетоэлектрическое вещество биологического происхождения. Им оказался эластин — белок внеклеточного матрикса животных, который обеспечивает упругость тканей. Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Сегнетоэлектричество (в англоязычной литературе ferroelectricity) — это способность некоторых материалов спонтанно приобретать электрическую поляризацию без воздействия внешнего электрического поля. В сегнетоэлектриках присутствует постоянное электрическое поле, которое можно перевернуть или реполяризовать путем приложения еще более сильного электрического поля (гистерезис). Сегнетоэлектричество обычно ассоциируется с неорганическими кристаллами или синтетическими материалами, но не с биополимерами.

Эластин — важный белок, присутствующий в соединительной ткани и придающий упругость легким, аорте, связкам и коже. Авторы использовали метод пьезосиловой микроскопии, чтобы показать, что эластин формирует домены на поверхности и обладает электрическим гистерезисом при приложении реполяризующего поля. Точка Кюри — то есть температура, при которой у образца исчезает спонтанная поляризация и, как следствие, сегнетоэлектрические свойства, — для эластина оказалась лежащей выше отметки в 200 градусов Цельсия, то есть далеко за физиологическими пределами.

Для объяснения механизма поляризации и сегнетоэлектрического переключения авторы использовали компьютерное моделирование молекулярной динамики, результаты которого показали, что поляризация эластина — внутреннее свойство на уровне мономеров. Возможная модель эластина, которая может объяснить переключение поляризации, — это цепь мономеров тропоэластина, присоединенных по принципу голова-хвост, при этом дипольный момент молекулы примерно перпендикулярен оси цепи. Приложение поля, перпендикулярного оси цепи, но противоположного дипольному моменту, заставляет мономеры тропоэластина менять конфигурацию до тех пор, пока дипольный момент не ориентируется по полю. Температура Кюри, рассчитанная по такой модели, оказалась равной около 300 градусам Цельсия.

Эта работа — первое обнаружение макроскопического сегнетоэлектрического переключения в биологических системах. Ранее было показано, что этот процесс может иметь значение для работы мембранных ионных каналов. Важный вопрос, который предстоит прояснить — является ли это сегнетоэлектричество нефункциональным побочным эффектом для определенного класса белков или же каким-то образом содействует их работе. Например, авторы обнаружили, что эффект подавляется в присутствии углеводородов, поэтому пока не ясно, присутствует ли сегнетоэлектричество in vivo.