Грибы в дикой природе — главные санитары: они перерабатывают мертвую органику и возвращают питательные вещества обратно в почву. Но, как выяснили исследователи из Университета Юты, один из видов способен на большее. Обычная почвенная плесень с невыговариваемым названием Marquandomyces marquandii неожиданно проявила себя как ценный материал для будущей биомедицины.

Сейчас ученые присматриваются к грибнице — той самой подземной сети из тончайших нитей, или гифов, которой грибы пронизывают почву, древесину и всё, что может служить им пищей. Их интересует, можно ли использовать эту природную структуру в строительстве и других полезных для человека целях. Но последняя работа инженеров и биологов из Юты показала: на основе этого гриба можно создавать гидрогели — материалы, которые удерживают много влаги и по мягкости и эластичности напоминают живые ткани человека.

В чем же подвох? Многие грибы либо плохо держат воду, либо слишком хрупки. А вот Marquandomyces marquandii, как рассказывает Атул Агравал, аспирант Инженерного колледжа и главный автор работы, выдает толстые многослойные гидрогели. Они впитывают до 83 процентов воды и после любого растяжения или сжатия возвращаются в исходную форму. Именно эти свойства делают гриб идеальным кандидатом для медицинских задач: например, для восстановления тканей, создания «лесов», на которых будут расти клетки, или для гибкой носимой электроники.

Работа Агравала — часть большого направления лаборатории Стивена Нейлэвея, профессора машиностроения. Вместе с микологом Брайном Дентинжером, который работает в Музее естественной истории Юты, они исследуют биологические вещества, чтобы создавать материалы, вдохновленные природой. Исследователи уже подали заявку на патент, чтобы закрепить за собой открытие свойств этого гриба.

Подробности опубликованы в издании The Journal of the Minerals, Metals & Materials Society.

Нейлэвей объясняет, чем их заинтересовал именно этот вид: он выращивает на редкость плотные, мощные слои грибницы. Грибница в основном состоит из хитина — того же самого вещества, что и панцири крабов или насекомых. Оно безопасно для организма человека и к тому же напоминает губку. По словам профессора, теоретически такую структуру можно использовать как шаблон для биомедицинских имплантатов или попробовать насытить ее минералами, чтобы получить основу для наращивания костной ткани.

Грибы — это отдельное царство живой природы. По оценкам ученых, на Земле существует от 2,2 до 3,8 миллиона их видов, и мы изучили только 4 процента. Из грибов давно получают лекарства, от пенициллина до ЛСД, а теперь инженеры вроде Нейлэвея обратили внимание на их микроструктуру.

Секрет полезных свойств грибницы кроется в том, как растут гифы. Брайн Дентинжер, профессор биологии, поясняет:

Продвигаясь вперед, гифы возводят внутри себя поперечные перегородки, разделяя длинную нить на множество отдельных клеток. Им нужно только питание, и они будут расти бесконечно, у них нет стадии развития, когда рост останавливается. Это принципиально иной подход к жизни, не похожий на животных.

У животных и растений клетки делятся на разные типы и застывают в одном состоянии. У грибов всё иначе: каждая клетка умеет перестраиваться под новую задачу и при необходимости возвращаться в исходное состояние. Как говорит Дентинжер, они гораздо более гибкие и приспособляемые, и человечеству есть что позаимствовать из их поведения.

В ходе экспериментов команда обнаружила у этих культур удивительную способность удерживать влагу: грибница сохраняла 83 процента воды, не теряя формы. Агравал подчеркивает, что самое интересное — гриб сам собой, без внешнего вмешательства, создал полноценную, четко организованную структуру. По своим характеристикам этот гриб обошел более изученные вешенки и трутовики, которые для гидрогелей подходят хуже из-за проблем с водоудержанием.

В лаборатории материал проверили на прочность: после многократных нагрузок он восстанавливал 93 процента своей исходной формы и прочности. Агравал объясняет это тем, что вся колония гриба представляет собой единую связанную систему. С помощью оптической микроскопии они увидели: на границах между слоями структура меняется плавно, это своего рода функциональный градиент. Такая конструкция равномерно распределяет напряжение между слоями. Когда на гидрогель воздействуют механической силой, он не рвется в одном месте, а перераспределяет нагрузку, что и обеспечивает его надежность.

Это исследование — пример того, как фундаментальное любопытство может открыть неожиданные инженерные решения. Для науки здесь важно, что ученые перестали рассматривать грибы только как источник химических веществ (антибиотиков или ферментов) и начали изучать их как архитекторов сложных материалов. Понимание того, как грибница самоорганизуется в градиентные структуры, позволяет биологам и инженерам говорить на одном языке и разрабатывать принципиально новые подходы к созданию материалов с заранее заданными свойствами.

Для реальной жизни польза может оказаться огромной, хоть и неочевидной на первый взгляд. Если удастся наладить «культивирование» таких гидрогелей, мы получим биоразлагаемую, не вызывающую отторжения основу для имплантатов. Это дешевле, чем синтезировать сложные полимеры в лаборатории. Кроме того, такие материалы могут стать экологичной альтернативой пластику в одноразовых медицинских устройствах или гибкой электронике. Гриб растет сам, питается отходами и создает сложную структуру без сложного промышленного оборудования — в этом и кроется потенциал для устойчивого производства будущего.

Главное ограничение работы, о котором авторы сами говорят осторожно, кроется в названии статьи: «показывает promise» — „показывает надежду“. Исследование находится на самой ранней, лабораторной стадии. Мы видим впечатляющие результаты in vitro  (в пробирке), но до применения in vivo  (в живом организме) — дистанция огромного размера.

• Во-первых, иммунный ответ. Хотя хитин и считается биосовместимым, неизвестно, как организм человека отреагирует на целую чужеродную структуру из грибницы. Иммунная система обучена распознавать грибы, и реакция может быть непредсказуемой — от легкого воспаления до отторжения.
• Во-вторых, стерильность. Медицинские имплантаты требуют абсолютной стерильности, а получить ее из живого, постоянно растущего организма технически сложно и дорого.
• В-третьих, масштабируемость. То, что отлично работает в чашке Петри в руках аспиранта, может оказаться капризным и нестабильным при попытке вырастить сотни одинаковых образцов в промышленных масштабах. Пока это скорее демонстрация концепции, а не готовое технологическое решение.

Ранее российские ученые выяснили, какие челюстные импланты лучше приживаются.