Трудная наука и высокая кухня
Молекулярные рестораторы жонглируют белками и полимерами / опубликовано исследование Neue MaxPlanckResearch
Физик из Института исследования полимеров Макса Планка в Майнце элегантно сочетает свои исследования мягкой материи с кулинарией как наукой. Таким образом, для «молекулярного ресторатора» Томаса А. Вильгиса кухня становится лабораторией. Вилгис посетил последний выпуск MaxPlanckResearch (4/2003) и описывает, что происходит, когда «строгая наука» встречается с «высокой кухней».Почему мясо становится мягким, когда оно готовится, и становится жесткой подошвой, когда его слишком долго нагревают? Что происходит при взбивании яичных белков или осветляющем масле? Ученые, называющие себя «молекулярными рестораторами», занимаются такими вопросами о химии и физике жаркого, соусов и пудингов. Томас Вильгис - один из них. Он работает штатным исследователем в Институте исследований полимеров им. Макса Планка в Майнце, где исследует свойства полимеров, биополимеров и сложных материалов, из которых они состоят.
Рис. 1: Микроскопическое изображение яичных белков ясно показывает, что стенки пузырьков воздуха имеют структуру сэндвича: слои поверхностно-активного белка находятся в непосредственном контакте с воздухом, а водная фаза находится между ними.
Изображение: MPI для исследований полимеров
Эмульсии, суспензии, пены, гели, биологические мембраны или волокна состоят из очень крупных молекул. Эти молекулы, часто полимеры, влияют друг на друга во многих масштабах: от нанометров (миллиардных долей метра) до микрометров или даже миллиметров. Это придает всем этим материалам сложные и в то же время характерные свойства. Вот почему сегодня ученые объединяют это понятие под общим термином «мягкая материя», который обозначает разнообразную и очень динамичную область исследований. Мягкая материя включает в себя все биологические материалы, за исключением биоминералов в костях и зубах, и, следовательно, все, что мы едим.
Например, интересный подход к приготовлению пищи связан с белками. Эти биополимеры представляют собой большие молекулы, состоящие из тысяч атомов. В живых организмах они играют центральную роль практически во всех биохимических процессах. Важно то, что эти молекулы могут менять свою форму, а, следовательно, и свою биологическую функциональность: некоторые белки могут переключаться между листообразной складчатой формой и винтовой спиралью. Согласно современным знаниям, такие процессы даже вызывают заболевания головного мозга, такие как BSE.
Рис. 2: Вид формы частично «развернутой» модельной молекулы белка при различных увеличениях. Слева: при максимальном увеличении видна первичная структура с отдельными атомами, расположенными на расстоянии всего от 0,1 до 0,2 нанометра (миллиардных долей метра) друг от друга. Здесь вы можете увидеть аминокислоты, которые образуют основные строительные блоки для формирования белка. Функция белка и его вторичная структура (средняя) зависят от их порядка: он может состоять из различных элементов, таких как спирали или листовые структуры. Вторичная структура, наконец, запутывается, образуя глобулярную сферическую третичную структуру всей молекулы, которая является биологически активной (справа).
Изображение: Хельмут Рорер
Томас А. Вилгис и его коллеги разрабатывают новые математические модели, например, чтобы лучше понять, как работают антитела и ферменты. Являясь катализаторами, ферменты ускоряют биохимические реакции в организме, что делает возможными многие жизненные функции. Однако некоторые ферменты также могут помочь при приготовлении пищи, например, в качестве «размягчителя мяса». Чтобы биологическая ткань была одновременно прочной и эластичной, через нее проходят коллагеновые волокна. Эти биополимерные волокна состоят из очень стабильной молекулярной тройной спирали, которая делает сырое мясо жестким. Нагревание или воздействие определенных ферментов, например, сока свежего ананаса или инжира, может трансформировать коллаген: тройные спирали растворяются, и полимеры соединяются вместе, образуя рыхлую пространственную сеть. При этом образуется гель, и мясо становится нежным.
Кухня предлагает множество сложных материалов – и, следовательно, много пищи для научного любопытства молекулярных гастрономов. Например, очень интересны интерфейсы: в продуктах питания они обычно состоят из слоя упорядоченных белков толщиной всего несколько нанометров. Такие слои могут, например, соединять капли воды и жира, которые в противном случае отталкивались бы друг друга. Это создает эмульсии, такие как молоко и масло. Молекулярные границы раздела также придают пузырькам воздуха в пенопластах достаточную стабильность. Для этого белковые молекулы, которые присутствуют в яичном белке в виде шариков, необходимо сначала «развернуть»: это делается путем взбивания венчиком. Прозрачный яичный белок превращается в непрозрачный яичный белок. Модифицированные молекулы белка теперь могут заключать молекулы воды яйца в тонкие, похожие на сэндвич мембраны. Эти мембраны образуют устойчивую оболочку вокруг пузырьков воздуха в яичной пене. Удивительно, что такое примитивное устройство, как венчик, может изменить форму молекул размером всего в несколько нанометров. Нанотехнологии имеют давнюю традицию на кухне!
MaxPlanck Research 4/2003 уже опубликован. 76-страничный журнал предоставляет интересную и понятную информацию от институтов Общества Макса Планка. В центре внимания этого выпуска «Оптические горизонты»: микроскопу 400 лет, и он до сих пор не полностью эксплуатируется. Испытайте сложные методы, которые ученые используют сегодня для путешествий в мир мельчайших и очень маленьких вещей, и фантастические открытия, которые они получают в процессе. В эссе задается вопрос «Сколько мозга нужно интеллекту?», раздел «Исследования и общество» («Игры с числами – иллюзии уверенности») докапывается до причин ошибок в мышлении и неправильных суждений, а также знаний из первых рук. посвящен моделям воздействия химических веществ на окружающую среду. Дальнейшие статьи в номере: «Великий коммуникатор» (к 100-летию со дня рождения Конрада Лоренца) и «СЮСИ с бенедиктинцами» (необычная встреча физиков в монастыре Марии Лаах).
MaxPlanckResearch выходит четыре раза в год. На научный журнал можно подписаться в пресс-службе Общества Макса Планка или через нашу веб-форму. Подписка бесплатна.
Ссылки по теме:
[1] Исследование MaxPlanck в Интернете: http://www.mpg.de/
Оригинальная работа:
Н. Ли, Т. А. Вильгис - Одноцепочечная силовая спектроскопия - считывание последовательности моделей белков HP - Eur.Phys. JB 28, 415 (2002)
Н. Ли, Т. А. Вильгис - Преимущественная адсорбция гидрофобно-полярных модельных белков на узорчатых поверхностях - Физ. Ред. Е 67, 050901 (2003)
Е. Жаркова, Н. Ли, Т. А. Вильгис - Набухание чувствительных амфифильных гелей - J. Chem. Phys. 119, 3541 (2003)
Источник: Майнц [миль на галлон]
