Всі ми трохи морські губки. Професор Герман Ерліх про спільний колаген у губок і людей, християнську реліквію та переваги холодцю

Протягом останніх 350 років науковці прагнули розгадати, з чого складається скелет морських губок, але ті вперто не піддавалися аналізу. Спроби пояснити цю таємничість навіть призвели до релігійної теорії: буцімто губки такі незбагненні, тому що їх використовували під час розп’яття Христа. Цей міт успішно розвіяла команда німецького вченого Германа Ерліха.

Завдяки спеціальній хімічній обробці зразків науковці не лише змогли нарешті проаналізувати білковий склад губок, а ще й довести, що ці тварини містять той самий колаген, що й людські кістки. Це також слугує підтвердженням того, що гени, відповідальні за колаген, залишилися майже незмінними протягом 800 мільйонів років еволюції — від найпростіших багатоклітинних тварин аж до людини.

Професор Ерліх розповів нам детальніше про відкриття, яке увійде в майбутні підручники біології, а також про те, чому краще їсти холодець, ніж пити колаген, та чи можна зробити з губки новий ніс. А ще — відповів на запитання від учасників нашої спільноти.

Професор Ерлiх вiдбирає морськi губки для пoдальшого вивчення їхньої мiкростуктури. Фото надані науковцем

Як усе почалося

— Як ви почали займатися наукою і як виникла ідея вивчати саме губок?

— Наукою я хотів займатися завжди — тут у мене сумнівів не було. Це щось таке, що в людині вже є з самого дитинства і так воно триває по життю. Декого особливо захоплюють гори, а от мене завжди цікавили море і морські істоти: там просто непочатий край для дослідника. Поступово вивчення морських біоматеріалів перетворилося на одну з моїх головних наукових тем. Я написав чотири монографії на цю тему і був би радий одного дня написати відповідний підручник для українського читача та студентства.

А от ідея вивчати губок виникла у мене ще в 2003 році, коли я почав займатися створенням штучних кісток на основі колагенів у центрі біоматеріалів імені Макса Бергмана в Дрездені.

Наразі ж мої дослідження фінансуються польським урядом, а саме Національним Центром Науки у Кракові. Річ у тім, що в Німеччині, звідки я родом, прийнято відправляти науковців на пенсію у віці 65 років, а от у Польщі можна продовжувати працювати допоки є фінансування. Мені вдалося переконати комісію з 27 європейських науковців, що саме оцей проєкт, про який ми з вами говоримо, вартий того, щоб його фінансували. Конкуренція була дуже серйозна: зі ста претендентів виграють тільки троє. В решті-решт нам пощастило отримати півтора мільйони доларів на чотири роки досліджень. Як бачите, проєкт був дійсно цього вартий.

— Як проходило саме дослідження?— Для роботи над ним об’єдналися найкращі експерти з ведучих інститутів і університетів з різних країн. У нас були фахівці з Німеччини, Франції, Польщі, Ізраїлю, США і, головне, з України. Експериментальні роботи тривали понад три роки. Сама стаття писалася півроку і ще стільки ж проходила перевірку у редактора і рецензентів. Публікація в такому авторитетному виданні, як Nature Communications — це просто титанічна праця. Треба мати терпіння, нерви і бути твердо переконаним у своїй правоті. Проте тепер ми всі усвідомлюємо, що наше відкриття увійде у підручники як для школярів, так і для студентів всього світу.

Український внесок

— Ви згадували про українську дослідницю, яка брала участь у проєкті?

— Її звати Альона Воронкіна, вона доцент кафедри фармації Вінницького національного медичного університету імені Миколи Івановича Пирогова, кандидатка фармацевтичних наук. Альона працювала зі мною декілька років у лабораторії так званої екстремальної біоміметики. А коли почалася повномасштабна війна, ми забрали її в Німеччину разом з мамою і двома маленькими дітьми поки її чоловік перебував на фронті. Вона отримувала тут стипендію, а по її закінченню повернулася у Вінницю. Ми і далі співпрацюємо, дуже переживаємо за неї і сподіваємося, що все буде гаразд.

Альона Воронкіна та об’єкт її досліджень. Фото з особистих архівів

Альона дуже творча і наполеглива людина, яка прагне поєднувати фундаментальні наукові дослідження з практичними розробками у сфері фармації та біотехнологій. До речі, це завдяки їй ми вийшли на ваше медіа, щоб висвітлити наше відкриття.

Для нас дуже важливо, щоб у цей складний для вашої країни час, українці черпали натхнення і знали, що їхні науковці друкуються разом з експертами з Масачуссетського Технологічного Інституту, що саме по собі означає світове визнання.

Що таке спонгін

— Ваша нова робота доводить, що білок колаген, який у великій кількості міститься в людському тілі дуже схожий на спонгін — основний структурний білок морських губок. Чим це відкриття значуще?

— Згідно з даними палеонтологів, саме ці губки, що є об'єктом наших досліджень, виникли на планеті понад 800 млн років тому. На сьогодні, лише їх визнають першими багатоклітінними організмами на Землі. Власне тому, ще в 2003 році ми вибрали їх в якості модельних організмів, щоби порівняти наявність у цих досить примітивних істот біополімерів, що пізніше також були відкриті у вищих тварин, включно з людиною.

Що таке спонгін? Якщо ви придбали в косметичному магазині так звану туалетну губку, здебільшого жовтого, або бронзового кольору, значить ви і маєте справу зі спонгіном. Фактично, людина змиває бруд зі свого тіла завдяки волокнам спонгіну, що утворює скелет губки. Деколи такі комерційні губки ще пахнуть морем, але насправді це лише запах йоду, бо сам спонгін містить не тільки протеїни, але і такі галогени, як йод, бром, і хлор.

Наше дослідження не тiльки доводить схожiсть спонгіну з колагеном людини та ссавців, а достовірно показує, що з 29 відомих сьогодні науці колагенів, саме так звані колагени типу I і III людського походження відповідають за міцність спонгінових волокон. А міцними ці колагенові нанофібрили у складі спонгіну стали саме завдяки утворенню хімічно надміцних зв'язків між залишками брому та йоду з певними амiнокислотами.

Після нашої публікації, правильно говорити про те, що саме колагени з губки існують у нашому організмі, а не навпаки. Це означає, що відповідні гени, що відповідають за утворення колагенів, були законсервовані мільйони років. Тож спонгін являє собою біокомпозитний матеріал на основі колагену і великої кількості галоген-вмісних сполук.

Губки, що вивчалися. Зображення надані науковцем

— А до цього нікому не вдавалося визначити білковий склад спонгіну якраз через наявність там галогенізованих амінокислот, що ускладнювало аналіз?

— Саме так, хоча насправді там історія ще цікавіша. Річ у тім, що вчені вже протягом 350 років намагаються розгадати біохімічну загадку спонгіну і певний час висувалися навіть містично-релігійні пояснення чому цей матеріал такий таємничий.

В релігійній літературі описана ситуація, коли вже розп’ятому Ісусові Христові римський легіонер на списі дає губку змочену оцтом, після чого Христос промовляє свої останні сім слів. Так виникла теорія, що через приналежність губки до важливих християнських реліквій, ніхто не може розгадати її склад.

Картина Джеймса Тіссо, на якій зображено святу губку в руках римського легіонера. Brooklyn Museum

А насправді, наша команда не те щоб якась дуже видатна, ми всього лише вчасно зрозуміли, що треба спочатку екстрагувати оці бромовані сполуки перш ніж аналізувати склад губки. Отже шляхом хімічних реакцій ми звільнили доступ до колагенів і змогли їх вивчити.

Колаген у побуті та медицині

— Яку роль відіграє колаген в еволюції багатоклітинних організмів?

— Колаген це високомолекулярний білок, який, відіграє важливу структурну роль: наприклад, у людини він входить у склад шкіри, хрящів, кісток і великої кількості органів. Тобто, без колагену не було би скелету хребетних тварин і людини теж.

До речі, а от у побуті люди мають справу з колагеном коли зі свинячих ніжок готують холодець: під дією температури цей білок перетворюється на всім відомий желатин.

А) Хімічна структура і В) поширення колагену в організмі. Campos, Luana Dias et al., 2023.

— Багато людей, мабуть, чули про колаген як про популярний косметичний засіб: його і п'ють, і втирають в шкіру, і роблять ін’єкції. Наскільки це ефективно з точки зору науки?

Пити колаген, звичайно, можна, але з тим же успіхом можна просто їсти холодець. В обох випадках речовина потрапляє у шлунок та під дією ферментів розпадається на дрібніші фрагменти, відомі як пептиди, які потім організм використовує для створення нових білків.

При косметичному використанні велику роль грає ефект плацебо, але тут важливо пам’ятати про ризик можливої негативної імунної реакції на колаген.

Якщо говорити про косметичне використання, то результати ін’єкцій зазвичай вельми очевидні. Однак, знову ж таки варто враховувати ймовірність негативної імунної відповіді. Виробники не завжди повідомляють клієнтів про джерело свого колагену: досить часто він може бути рибний. А оскільки кожен організм індивідуальний, він може або зреагувати на цей колаген як на небезпеку, або ні.

— Може спонгін теж придатний для косметичних втручань?

— Сама структура спонгінового скелету губки є мікропористою, тобто вона створює ідеальні умови для тривимірного росту і клітин, і тканин включно людського походження. А ще механічно він досить еластичний і одночасно твердий — саме те, що треба, навіть краще за силікон.

Відомо, що ще у 18 столітті губки використовувались на ранніх етапах розвитку пластичної хірургії, наприклад, для створення імплантів для носів. Пізніше з’явилися хімічно синтезовані губки, які витіснили природні, але внаслідок цього ми тепер маємо проблему з мікропластиком у світовому океані. Зараз людство потроху повертається до справжніх губок, тож ми тут дуже в тренді.

Ілюстрації до наукової публікації 1771 року, у якій повідомляється про штучну реконструкцію носа та піднебіння пацієнта з використанням губки. Petrus, C., 1771.

— Чи є у вас вже плани на майбутні дослідження?

— Далі ми плануємо активно вивчати можливості використання губок в сучасних технологіях, оскільки ці організми можна вирощувати в морській аквакультурі. Тобто ми маємо нескінченне джерело відновлюваних біоматеріалів: якщо губку зрізати, вона виросте знову, як скошена трава. Причому її розмір може сягати 70 сантиметрів! А от сам механізм регенерації спонгіну в скелетах губок досі невідомий, за цю загадку ще ніхто не брався.

Відповіді на запитання членів спільноти nauka.ua

— Чим принципово відрізняються губки від коралів?

— По-перше, якщо говорити про еволюційну хронологію, то спочатку виникли губки, а вже потім корали.

По-друге, у них різний біохімічний склад. Корали характерні своїм скелетом з карбонату кальцію, завдяки якому вони утворюють всім відомі рифи. А от органічна частина у них зовсім мала: один-два відсотки. Також у них немає в складі бромованих сполук, які мають губки.

— Чи можуть губки якось «фільтрувати інформацію» з навколишнього середовища та реагувати на шкідливі речовини у воді?

— Варто враховувати існування теорії про те, що губки не мають тканин взагалі в такому сенсі, як це є у вищих тварин. Це означає, що в них нема м’язів, тож вони можуть лише мімікувати рефлекси. Так, було зафіксовано, що губки здатні пересуватися на невеликі відстані, але це буквально пару сантиметрів. Тому для них не дуже характерно тікати від подразників: вони скоріше просто помруть, якщо токсичних речовин буде надто багато.

А от нещодавно дослідники з Чорногорії повідомили про те, що губки у місцевій бухті навчилися «струшуватись». Річ у тім, що там де вони ростуть ходить багато туристичних кораблів, тому губки часто засипає мулом. І от у відповідь на це вони розвинули здібність самі себе очищувати шляхом коливань.

Губкова ферма. marinecultures.org

— Які є практичні застосування губок, зокрема в медицині та біотехнологіях?

— Перше, що треба знати про губки, це те, що вони страшенно смердять, коли їх витягують з води на поверхню. Причиною цього є симбіоз з бактеріями, які у величезній кількості населяють їхнє тіло. І от коли губка фільтрує воду, вся органіка, яка там міститься, потрапляє всередину, де її розкладають бактерії. Виходить така собі біологічна каналізація з відповідним запахом.

Губки, до речі, дуже люблять рости на різних металевих предметах, наприклад, на рештках кораблів, арматурі тощо. Вони добре перетворюють залізо в біомінерали, через що набувають іржавого кольору.

Та й загалом, оскільки губки всмоктують абсолютно все, що знаходиться навколо, їх можна використовувати як індикатор становища води. На цю тему вже є декілька екологічних праць.

А ще в цілях самозахисту від шкідників вони синтезують дуже велику кількість антибіотиків, причому деякі з них виробляють понад 300 таких речовин одночасно.

Губка, яку щойно витягли з води, та її очищений варіант. Фото надані науковцем

— Які є загрози популяції губок і як на них може впливати забруднення океану, зокрема мікропластик?

— Якщо у воду потрапляє мікропластик, він також поглинається губками і вростає в їхні тіла. Наразі достеменно невідомо, які гібридні матеріали можуть з'явитися внаслідок цього.

Ще щодо небезпек, вчені спостерігають такий феномен, коли в певний момент серед популяції губок відбувається масове вимирання. Просто поширюється якесь бактеріальне захворювання, яке роз’їдає спонгін, що призводить до загибелі тисяч особин — ніби справжня епідемія. А через три-чотири роки вся популяція відновлюється знову і процвітає протягом двадцяти років перш ніж хвороба виникає знову.

Та загалом туалетні губки, про які ми говоримо, в небезпеці не знаходяться, адже вони є промисловим продуктом. Щорічний світовий оборот цієї галузі складає 20-30 мільйонів доларів. Губки ростуть мільйонами біля узбережжя Флориди, Греції, Єгипту, Лівії, Тунісу тощо. Як ми вже говорили, їх зрізають для продажу і вони спокійно собі відростають назад.

Маленькі кульки, що формує губка, це і є гемули. Robert McCormack

— Як так сталося, що губки дожили до нас ще з докембрійських часів, коли купа іншого всього вимерло в кембрії?

— Вони просто дуже добре пристосовані. Для губок головне, щоб була вода, а далі вони здатні витримати різноманітні умови. Вони скоріше холодноводні організми і можуть виживати при -1.9° за Цельсієм — саме таку температуру має вода в Антарктиді. А от +30° вже починає спричиняти їм дискомфорт.

Вони також успішно захищаються від хижаків завдяки своєму специфічному запаху та хімічному складу: вони і йодовані, і бромовані, і хлоровані — таке ніхто не стане їсти. Ну це вже просто унікальна ситуація.

А ще досі багато невідомого стосується їхнього способу розмноження. Іноді вони продукують гемули — яйцеподібні структури, які можуть, подібно до спор, роками чекати свого часу перш ніж прорости, що є вигідною стратегією для виживання.

— Що в губках от такого є класного, чого ніде більше нема?

— Класне в них тільки одне: це найперші багатоклітинні організми, які виникли у нас на планеті. Саме тому науковці мають до них великий інтерес, адже цікаво їх дослідити та зрозуміти чому так сталося. Це складне завдання, адже ми ми досі не знаємо, хто був біологічним попередником губок. Якщо дивитися по викопним решткам, то виглядає так, наче от були одноклітинні, а потім раз і з’явилися губки, у яких вже запрограмовано багато важливих еволюційних механізмів.