Сопли — шедевр биоинженерии

Получить сопли в пробирке для интимного геля — давняя мечта. Они нужны всем нам, ведь сопли — это «умный» гидрогель: он сам восстанавливается, задерживает бактерии и заодно работает как смазка. Но синтезировать его неимоверно трудно.

Природа справилась с этой задачей сотни миллионов лет назад, и с тех пор практически та же слизь выполняет самые разные функции. Человек научился создавать бетон, композиты, наноматериалы и умные полимеры. Искусственные аналоги слизи тоже появились, но повторить натуральную во всей её сложности по-прежнему не удаётся. Ведь она должна одновременно скользить, защищать, фильтровать и менять свойства в зависимости от обстоятельств. Остаётся только добывать её из собственного носа!

Оригинал на 93–97% состоит из воды, а остальное — белки, сахара и немного молекулярного «мусора».

Разумеется, мы не могли обойти эту проблему стороной, когда разрабатывали интимный гель с отличным скольжением.

К тому же полвека наука была убеждена, что понимает механизм скольжения слизи. Затем кто-то загрузил в трибометр настоящую рыбью слизь вместо привычного лабораторного заменителя — и стало неловко.

Скользит совсем не то

Смазывающие свойства слизи объясняли так: молекулы муцина прикрепляются к поверхности и формируют защитный слой, не позволяющий поверхностям тереться друг о друга напрямую. Проверяли это обычно следующим образом: брали очищенный лабораторный муцин, растворяли в воде, давали осесть нанослоем, затем тёрли и замеряли трение.

Однажды вместо лабораторного заменителя решили испытать слизь вьюна. Это такая рыба:

Лабораторный муцин в концентрации 60 мг/мл давал раствор, лишь в 6 раз более вязкий, чем чистая вода: молекулы почти не слипались между собой. Муцин вьюна в концентрации 6 мг/мл, близкой к природной, превращался в гель, чья вязкость превышала вязкость воды уже не в разы, а в десять тысяч раз.

Затем провели опыт на реометре: каплю жидкости зажимали между двумя силиконовыми пластинами, одну из которых вращали относительно другой, измеряя трение. Использовали как гидрофобную резину, отталкивающую воду, так и гидрофильную, специально обработанную, чтобы воду притягивать. Раствор муцина вьюна в концентрации 10 мг/мл уменьшал трение между поверхностями в 10 раз по сравнению с чистой водой, причём на обеих поверхностях одинаково. При концентрации ниже определённого порога муцин почти не помогал, выше — трение резко падало. Этот порог примерно совпал с концентрацией, при которой молекулы муцина начинают срастаться в сеть.

Измерили также, сколько муцина оседает на каждой из двух поверхностей. Выяснилось, что на гидрофильную он прикрепляется в 6 раз хуже, чем на гидрофобную (там он ложится ровным слоем толщиной в одну молекулу).

Далее муцин растворили в лаурилсульфате натрия, который разрушает связи между молекулами, а для сравнения — в обычном солевом растворе, который их не затрагивает. «Расклеенный» муцин снижал трение заметно хуже «склеенного»: почти в 4 раза слабее на гидрофобной поверхности, а на гидрофильной не дал сколько-нибудь заметного эффекта. Причём на гидрофобной поверхности результат не менялся, сколько бы пластины ни вращали, а на гидрофильной со временем ослабевал.

А в 2026 году обнаружилось, что муцин вьюна способен самостоятельно выстраивать собственную архитектуру. В воде его длинные молекулы объединяются в фибриллы длиной до микрометра, затем фибриллы ветвятся и при повышении концентрации складываются в объёмную сеть. Сеть при этом неоднородна: в ней встречаются плотные пучки и более рыхлые участки. Иными словами, это не просто вязкая жидкость и не тонкая плёнка на поверхности, а самособирающийся мягкий материал с иерархической структурой.

Из чего состоит слизь

В основном из воды. В кишечнике, по одним данным, её около 83,6%; если же брать слизь в целом (в лёгких, желудке и шейке матки), доля воды достигает 93–97%, и даже в одном органе она постоянно колеблется. Из небольшого остатка на муцины приходится лишь около 3% общей массы, прочее — клеточный мусор, антитела, липиды, фрагменты нуклеиновых кислот. Слизь обновляется непрерывно: в носу каждые 10–20 минут, в кишечнике — раз в 50–270 минут.

В абсолютных цифрах объёмы огромны. Один только нос вырабатывает от 100 мл до литра соплей в сутки — целую баночку. Почти всё это незаметно стекает по задней стенке носоглотки и проглатывается; мы вспоминаем о слизи, только когда что-то идёт не так — насморк, кашель с мокротой. Бывает, что сбой вполне конкретен, и самый наглядный пример — муковисцидоз. Это наследственное заболевание, при котором мутации в гене CFTR нарушают работу белка, регулирующего перенос хлорид- и бикарбонат-ионов через клеточную мембрану. Из-за этого меняется водно-солевой баланс, а вместе с ним и свойства слизи. Скользкий гель превращается в вязкую массу, которая забивает протоки лёгких и поджелудочной железы, создаёт идеальную среду для хронических инфекций и в итоге разрушает именно те органы, которые должна оберегать.

Словом, слизь — это вода, удерживаемая сетью гигантских молекул.

Главные строители этой сети — муцины, гликопротеины: белковая цепь, так густо облепленная сахарными «ветвями», что от 50 до 90% массы молекулы приходится на сахар, а не на белок. Молекулы муцина соединяются между собой не случайным образом. Сначала прочными дисульфидными связями (мостиками между атомами серы) на концах молекулы, где сахаров почти нет, а затем эти цепочки дополнительно сцепляются слабыми, обратимыми гидрофобными взаимодействиями.

Как макароны.

Жёсткость сети можно регулировать: добавишь окислитель — возникнут новые дисульфидные мостики, добавишь восстановитель — часть из них разорвётся.

Размер пор в этой сетке тоже разный. В кишечнике он в среднем около 30 нм, в лёгких — от 100 нм до нескольких мкм, а в желудке из-за предельной кислотности поры сжимаются до 500 нм.

Выглядит это эффектно: при падении pH разрушаются солевые мостики внутри самой молекулы муцина, которые в норме скрывают гидрофобные участки. Как только эти участки обнажаются, молекулы начинают активнее слипаться, и вязкость может вырасти в 100–1000 раз. Этим пользуется бактерия Helicobacter pylori: она выделяет фермент, расщепляющий мочевину, локально повышает pH и тем самым разжижает защитный слой слизи вокруг себя, чтобы легче добраться до стенки желудка.

Ну не подлость ли?

А вот бактерия Akkermansia muciniphila, которая обитает примерно у 75% людей и составляет 3–5% всей кишечной микрофлоры здорового человека, питается муцином, но ничего не портит, а, напротив, укрепляет кишечный эпителий снизу.

Кстати, в толстой кишке слизь — вовсе не единый слой, а слоёный пирог. Плотный внутренний слой, почти намертво приклеенный к клеткам, и рыхлый наружный, который можно просто соскоблить. У здорового человека внутренний слой в толстой кишке составляет около 134 мкм; при болезни Крона организм утолщает его до 232 мкм, а при язвенном колите он истончается до 60 мкм (через эту брешь болезнь и прогрессирует).

Цервикальная слизь у женщин и вовсе меняет режим работы по гормональному сигналу: в период овуляции становится жидкой, а вне её густеет до полутвёрдого состояния.

Вклад отдельных компонентов в свойства слизи непропорционален их доле. Липидов в кишечной слизи всего около 4%, но без них вязкость падает на 80–85%. ДНК — лишь 0,4% массы, но стоит удалить её ферментом, и доля частиц, способных пройти сквозь слизь, подскакивает с менее чем 0,6% до внушительных 64%.

У человека обнаружено 21 разновидность муцина. Слизь строят всего пять из них, остальные сидят прямо на поверхности клеток, словно ворсинки, и никуда не отделяются. Но самое любопытное, что слизь — изобретение не позвоночных и даже не насекомых. У примитивной актинии без мозга, крови и органов в привычном понимании есть белок с той же архитектурой, что и у человеческих гелеобразующих муцинов.

Получается, технология, которую мы до сих пор не в силах скопировать, древнее костей.

Почему её никто не смог подделать

Если настоящая слизь так капризна, чем заменять её в экспериментах? Немецкие химики проанализировали десятки существующих подходов, и выводы не слишком утешительные.

Можно работать с настоящей человеческой или животной слизью, но она очень быстро портится. Например, если образец из кишечника свиньи просто выдержать полчаса при температуре тела перед экспериментом, зона стабильного поведения материала сокращается на 70%.

Клеточные модели — культуры клеток Caco-2 — сами слизь не вырабатывают, поэтому к ним подмешивают линию, которая её секретирует. Беда в том, что такие клетки выделяют не тот муцин, который нужен, и получается имитация имитации.

Монокомпонентные модели дёшевы и легко стандартизируются, но при коммерческой очистке пепсином дисульфидные связи разрушаются. На практике это приводит к тому, что диффузия одних лекарств через упрощённую модель возрастает на четверть, других — почти вдвое по сравнению с настоящей слизью. А наночастицы полистирола в реальной слизи начинали свободно двигаться уже за 0,1 секунды против долгих 10 секунд в упрощённой модели.

Мультикомпонентные модели, где к муцину добавляют липиды, ДНК, белки и гелеобразующие агенты, точнее, но их сложнее стандартизировать.

Короче говоря, несмотря на десятилетия работы, модели, которая по-настоящему воспроизводила бы слизь во всей её сложности, до сих пор нет.

Другие учёные ставят более прикладной вопрос: можно ли создать из самих муцинов полезный материал? Конкретных направлений уже несколько.

Например, крошечные синтетические сосудистые трансплантаты диаметром 1 мм покрывали муцином и имплантировали мышам. В эксперименте такие трансплантаты реже закупоривались и лучше обрастали клетками, что важно для приживления. А пористые фильтрующие материалы с муциновым покрытием научились пропускать отрицательно заряженные частицы и задерживать положительные — избирательный фильтр получился просто благодаря заряду сахаров на поверхности муцина.

Самое интересное (для нашей лаборатории, конечно же) направление — увлажнение и заменители естественных жидкостей организма. Здесь результаты противоречивы: заменители слюны на основе муцина из свиных желудков в одних исследованиях лучше обычных полимерных растворов снимали симптомы сухости во рту, но более строгое двойное слепое испытание существенной разницы с плацебо не выявило. Опять же виноваты жёсткие методы очистки, которые повреждают дисульфидные связи и ломают всю магию. С суставами картина куда обнадёживающая: муцин из медузы, введённый кроликам вместе с гиалуроновой кислотой, уменьшил разрушение хряща, а в ряде экспериментов по трению защищал хрящ лучше, чем чистая гиалуроновая кислота в той же концентрации.

Главное препятствие — нестабильность сырья. Коммерческие партии муцина от разных поставщиков, а порой и от одного поставщика в разное время отличаются друг от друга, и нередко неизвестен даже протокол очистки. Впрочем, так же было с гиалуроновой кислотой, которую когда-то добывали из петушиных гребней!

И что дальше?

Слизь — материал, который эволюция довела до совершенства, а наука лишь начинает разбирать его на составляющие. Воссоздать отдельные элементы системы можно, а вот повторить всё и сразу — нет.

Теперь нам, по идее, полагается изящно перекинуть мостик к какому-нибудь собственному продукту, например к интимным гелям. Что-нибудь в духе «и по этому самому принципу мы создали…».

Не-а.

Совсем не по этому принципу.

Физика, конечно, схожа, но интимный гель — это не искусственная слизь. В нашем случае это гидроксиэтилцеллюлоза на водной основе: её длинные полимерные цепи удерживают воду и формируют скользящий слой. Если после этого поста вы ждали чего-то более технологичного — простите! Мы упёрлись в те же проблемы, что и вся остальная наука: настоящую слизь пока никто толком не воспроизвёл.

 

Источник