Биофизики впервые исследовали механические свойства отдельных молекул гиалуроновой кислоты

Биофизики из Университета «Сириус» и МФТИ исследовали фундаментальные свойства гиалуроновой кислоты на уровне отдельной молекулы с помощью новой уникальной методики на основе атомно-силовой микроскопии. Благодаря полученным данным специалисты смогут в будущем разработать биомиметические материалы, максимально похожие на живые ткани человека. Результаты проведенного исследования опубликованы в журнале Carbohydrate Polymers.

Гиалуроновая кислота активно используется в биомедицинских и косметических целях, а также входит в состав внеклеточного матрикса млекопитающих. Ее особенность еще и в том, что в процессе эволюции она практически не изменялась. Понимание механических свойств гиалуроновой кислоты позволит на ее основе создавать материалы, максимально приближенные к тканям живой природы. Например, у человека она входит в состав кожи, пуповины, синовиальной жидкости, стекловидного тела глаза и других тканей и органов.

В своей работе ученые использовали метод атомно-силовой микроскопии (АСМ), суть которого заключается в сканировании поверхности образца острым зондом. В результате этого получаются данные о микрорельефе. Специально для этого исследования Дмитрий Клинов, руководитель группы направления «Биоматериалы» Университета «Сириус» и заведующий лабораторией функциональных биоматериалов МФТИ, разработал сверхострые зонды, радиус острия которых — около 1 нм. Благодаря таким зондам стало возможным получение изображения отдельных молекул полимеров.

Еще одним важным условием для визуализации отдельных молекул полимера стало использование атомарно-ровной подложки. Ранее ученые разработали метод модификации поверхности высокоориентированного пиролитического графита с помощью глицин-содержащих молекулярных слоев.

«Использованный в работе метод АСМ совершенно не новый, однако мы довели его до совершенства. Атомарно-ровная поверхность в качестве подложки в сочетании со сверхострыми зондами позволила нам визуализировать отдельные молекулы гиалуроновой кислоты. Ничего подобного до нас в мире никто еще не делал», — рассказывает Дмитрий Клинов.

Визуализация отдельных молекул гиалуроновой кислоты с высоким разрешением позволила ученым впервые получить данные об их механических свойствах. Оказалось, что молекулы гиалуроновой кислоты обладают в 1000 раз большим модулем Юнга (то есть они менее гибкие), чем коллаген, и в 10 раз большим, чем паутинные или амилоидные фибриллы. Подобное открытие еще на один шаг приблизило научное сообщество к созданию материалов, максимально похожих на человеческие ткани.

Ученые Университета «Сириус» уже разрабатывают биомиметические материалы, которые позволят восстанавливать поврежденные ткани организма человека после травм или заболеваний. Гиалуроновая кислота рассматривается в данном контексте как один из важных компонентов искусственной кожи, так как улучшит ее биосовместимость и существенно повысит регенерацию поврежденных тканей.

Кроме ученых Университета «Сириус» и МФТИ, в исследовании принимали участие их коллеги из МГУ, ФНКЦ физико-химической медицины ФМБА, Института молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта РАН, Института проблем химической физики РАН и Института материаловедения Мюлуза (Франция).