Tvorové, kteří se živí řasami rostoucími na přílivových skalách mají tak tvrdé zuby, že jsou odolné proti jakémukoliv opotřebení. To, co vědci zjistili, inspiruje nové způsoby pro výrobu pokročilých materiálů.
Zuby těchto měkkýšů se skládají jak z magnetitových nanotyčinek, tak z organického materiálu, které jsou nejen tvrdší a tužší než lidská zubní sklovina, ale také tvrdší než vysoce uhlíkové oceli, tvrdší než nerezová ocel a dokonce i oxid zirkoničitý a oxid hlinitý – pokročilá inženýrská keramika vyráběná za vysokých teplot.
David Kisalius, vědec z Kalifornské univerzity v Irvinu odhalil proces, který je specifický pouze pro chroustnatky. Může za to železo, které váže proteiny RTMP1, které jsou transportovány do nově se tvořících zubů prostřednictvím nanoskopických tubulů zvaných mikroklky. Místo a čas ukládání proteinů je přesně řízen, což zajišťuje, že si tvorové vyvinou tvrdou, silnou a odolnou zubní architekturu.
Zuby chroustavek vyrůstají každých pár dní a jsou lepší než materiály používané v průmyslových řezných nástrojích, brusných médiích, zubních implantátech, chirurgických implantátech a ochranných povlacích, a to i přesto, že jsou vytvořené při pokojové teplotě a navíc s nanoměřítkovou přesností. Z těchto biologických procesů se máme hodně co naučit!
Na celém světě existuje více než 1000 druhů chroustnatek které se většinou vyskytují v pobřežních přílivových oblastech. Měkkýši zkoumáni v této studii patří mezi větší, kteří žijí v severozápadních pobřežních oblastech Spojených států a u pobřeží Hokkaida v Japonsku. Výzkumný tým zjistil, že proteiny RTMP1 existují v chroustavkách na různých místech po celém světě, což naznačuje určitý biologický proces v regulaci ukládání oxidu železa.
Tyto speciální proteiny, které se původně nacházely v tkáních obklopujících nezralé, nemineralizované zuby, byly směrovány nanostrukturovanými tubuly do každého zubu. Jakmile se proteiny dostanou dovnitř, vážou se na předem sestavené struktury z chitinových nanovláken, strukturálního biopolymeru, který řídí architekturu magnetitových nanotyčinek v zubech. Současně se do každého zubu uvolňuje železo uložené ve feritinu, dalším proteinu nacházejícím se v tkáni vně zubů, kde se váže na RTMP1, což vede k přesnému ukládání nanoměřítkového oxidu železa, který během zrání zubu dále roste do vysoce uspořádaných magnetitových nanotyčinek, které nakonec vedou k ultratvrdým zubům.
„Spojením biologických a materiálových vědeckých přístupů prostřednictvím úžasného globálního úsilí jsme odhalili, jak se od základů vytváří jeden z nejtvrdších a nejsilnějších biologických materiálů na Zemi,“ řekl David Kisailus.
Zajímavosti: Kisailusovy příspěvky k této práci byly financované Úřadem pro vědecký výzkum amerického letectva.
Zubní implantáty by se díky výzkumu japonských vědců mohly stát minulostí. Ti objevili způsob, jak regenerovat ztracené zuby. Potlačením určitého genu vědci zvýšili účinnost růstových faktorů, které stimulují prořezávání nových zubů. Alespoň se to podařilo u hlodavců, píše Science journal.pl.
Novou studii provedli vědci z Kjótské univerzity a Univerzity ve Fukui. Vědci v publikaci, která vyšla v časopise Science Advances, popsali pozorovaný účinek protilátky proti genu USAG-1 (uterine sensitisation associated gene-1), který může stimulovat růst zubů. Tak tomu bylo alespoň u hlodavců trpících anodoncií – vrozenou vadou, která se vyznačuje absencí zubů.
Cesta k novým zubům
V ústech dospělého člověka se obvykle nachází 32 zubů. Existují však lidé, kteří mají v důsledku vrozené vady více nebo méně zubů. To se týká asi jednoho procenta populace. Japonští vědci zkoumali genetické příčiny případů s příliš mnoha zuby. Chtěli přitom získat některé poznatky, které by mohly být užitečné pro vývoj způsobu regenerace zubů u dospělých.
Jak upozornil Katsu Takahashi z Kjótské univerzity, jeden z hlavních autorů studie, základní molekuly zodpovědné za vývoj zubů byly identifikovány. „Morfogeneze jednotlivých zubů závisí na interakci několika molekul, včetně kostního morfogenetického proteinu,“ uvedl Takahashi.
Proteiny BMP a signální dráha Wnt, které Takahashi zmiňuje, se nepodílejí pouze na vývoji zubů. Modulují růst mnoha orgánů a tkání už v prenatálním stádiu. Protože však tyto sloučeniny řídí také růst mnoha dalších orgánů, může zásah do nich způsobit řadu závažných vedlejších účinků.
Stimulace růstu zubů
Vědci se zaměřili na gen USAG-1. „Věděli jsme, že umlčení genu USAG-1 má příznivý vliv na růst zubů. Nevěděli jsme však, zda to stačí,“ přiznal Takahashi.
Myši, které se účastnily pokusů, však vědci předtím geneticky upravili. Vědci u hlodavců vyvolali anodoncii, někdy nazývanou ageneze zubů. Jedná se o vrozenou vadu, která se projevuje absencí zubů a jejich úponů. Může postihnout jediný zub i celý chrup.
Pokusy ukázaly, že manipulací s interakcemi mezi genem USAG-1 a BNP a Wnt mohou vědci stimulovat růst zubů, aniž by to mělo jiné nežádoucí účinky. Na základě tohoto zjištění autoři dospěli k závěru, že USAG-1 brání růstu zubu tím, že se váže na BMP, a tím snižuje jeho aktivitu. Výsledky studie naznačily, že potlačení aktivity genu BMP umožňuje dostatečný růst nových zubů.
Mimořádně slibné výsledky experimentů
Injekce protilátek USAG-1 březím myším s anodoncií vedla k normálnímu vývoji zubů u jejich potomků. Jednorázové podání protilátky navíc vedlo k růstu celého nového zubu u normálních myší.
Vědci testovali protilátku také na fretkách. Tato zvířata mají podobné zuby jako lidé a stejně jako my jsou to difyodonti, což znamená, že mají sadu mléčných zubů, které jsou později nahrazeny zuby stálými. Technika se ukázala stejně účinná i u fretek. Jediná dávka protilátky vytvořila celý zub.
To naznačuje, že vyvinutá metoda by mohla fungovat i u lidí, i když je před námi ještě dlouhá cesta. Než bude možné ji testovat na lidech, musí být nejprve překonána řada bezpečnostních problémů. Vědci prozatím plánují pokus zopakovat na dalších savcích, jako jsou prasata a psi.
„Běžné tkáňové inženýrství není pro regeneraci zubů vhodné. Naše studie ukazuje, že bezbuněčná molekulární terapie je účinná pro širokou škálu vrozených agenezí zubů,“ uzavřel další autor studie Manabu Sugai z univerzity ve Fukui.
Udržování zubů v dobrém stavu – a vlastně udržování zubů vůbec – bylo v průběhu dějin výzvou. Historici se domnívají, že zubní lékařství se objevilo již nejméně 7000 let před naším letopočtem, ale než se profesionální zubní péče stala široce dostupnou, uplynulo mnoho staletí. Ještě v 19. století holiči často působili jako chirurgové a zubaři, kteří trhali zuby i stříhali vlasy, píše History.
Pro nespočet generací mužů a žen tak byla péče o zuby z velké části záležitostí domácích kutilů. Nástroje, které měli naši předkové k tomuto účelu k dispozici, se vyvíjely, ale stále se nápadně podobají tomu, co lze dnes koupit v každé drogerii.
Zubní kartáček
I když se teorie o příčinách zubního kazu v průběhu staletí měnily – od záhadných „zubních červů“ ve starověku až po bakterie rozmnožující zubní plak v současnosti – lidé pochopili, že je důležité udržovat zuby čisté. Před zubními kartáčky mnozí používali žvýkací tyčinky, tenké větvičky, které žvýkali, dokud se jeden konec neroztřepil, a vytvořili si tak jakýsi kartáček. Žvýkací tyčinky se v některých kulturách používají dodnes.
Zdá se, že zubní kartáček, jak ho známe, byl vynalezen v Číně někdy za dynastie Tchang v letech 618 až 907 n. l. První modely měly rukojeti z bambusu nebo kostí a štětiny z kančích chlupů. Kartáče z kančích chlupů jsou k dostání dodnes a často se propagují jako ekologická alternativa ke kartáčům s nylonovými štětinami a plastovou rukojetí.
Za prvního podnikatele, který začal sériově vyrábět zubní kartáčky, je považován Angličan William Addis, který údajně vytvořil svůj prototyp v roce 1780 ve vězení, kde byl obviněn z výtržnictví. V roce 1857 získal H. N. Wadsworth, zubař z Washingtonu, D.C., první americký patent na zubní kartáček, o kterém tvrdil, že lépe čistí mezizubní prostory. Následovala řada dalších inovací, včetně zavedení nylonových štětin v roce 1938.
V roce 1937 si americký vynálezce Tomlinson I. Moseley nechal patentovat návrh elektrického zubního kartáčku. Tento nápad se však neujal, dokud švýcarský vědec Philippe-Guy Woog nepředstavil v roce 1954 svůj vlastní model. Podle některých údajů byl Woogův elektrický kartáček Broxodent určen pro pomoc lidem s omezenou pohyblivostí, ale brzy byl propagován pro širokou veřejnost. V jedné reklamě v časopise z 60. let minulého století byl dokonce označen za „ideální dárek ke Dni matek, Dni otců, svatbám a promocím“.
Zubní pasta
Je zvláštní, že zubní pasta vznikla dříve než zubní kartáček. „Kolem roku 3000-5000 př. n. l. staří Egypťané poprvé vyvinuli zubní krém, který obsahoval práškový popel z volských kopyt, myrhu, vaječné skořápky a pemzu,“ napsal Frank Lippert z Indiana University School of Dentistry v monografii z roku 2003. „Peršané pak kolem roku 1000 př. n. l. přidávali spálené ulity šneků a ústřic spolu se sádrou, bylinami a medem.“
Lidé si i po nástupu komerčně vyráběných verzí o několik století později nadále šlehali vlastní zubní pasty a prášky. Například v knize The Practical Housewife z roku 1860 se doporučovala směs práškového kořene kosatce, dřevěného uhlí, práškové peruánské kůry, připravené křídy a bergamotového nebo levandulového oleje.
Nápad zabalit zubní pastu do stlačitelné tuby se v 80. letech 19. století připisuje zubaři z Connecticutu Washingtonu Wentworthu Sheffieldovi. Do té doby, jak uvádí Americká asociace zubních lékařů, se běžně „prodávala v lahvičkách, porcelánových dózách nebo papírových krabičkách“. Tento průlom údajně umožnil, aby se zubní pasta „masově vyráběla v továrnách, masově se prodávala a rozšířila po celé zemi“.
V roce 1955 uvedla společnost Crest na trh první zubní pastu s obsahem fluoridu, který podle výzkumů účinně snižoval kazivost zubů. První reklamy na zubní pastu Crest, které nakreslil ilustrátor Norman Rockwell, zobrazovaly usměvavé chlapce a dívky, kteří ukazovali zprávy z posledních návštěv u zubaře, se sloganem „Podívej, mami – žádný kaz!“.
Zubní párátka
Skromné párátko může být podle antropologů nejstarším zubním nástrojem, který pochází z prehistorických dob, tedy z doby před více než milionem let. Za tu dobu se z předmětu denní potřeby stalo symbolem společenského postavení a zase se vrátilo k předmětu denní potřeby.
Nejstarší párátka byla pravděpodobně malé kousky dřeva, i když se v různých obdobích začala používat i kost, slonovina a další materiály. Oblíbená byla také peří vran a hus.
Ve viktoriánské éře se mezi lidmi, kteří si je mohli dovolit, stala oblíbenými párátka vyrobená ze stříbra nebo zlata. Párátko ze slonoviny a zlata, které kdysi patřilo Charlesi Dickensovi a bylo opatřeno jeho iniciálami, se v roce 2009 prodalo v aukci za 9 150 dolarů.
Šťourání v zubech při jídle se ve společnosti 19. století zřejmě stalo natolik rozšířeným, že se tímto tématem musely zabývat knihy o etiketě. „Je velmi neslušné trhat si u stolu zuby,“ radila jedna z nich v roce 1882 a vstřícně dodávala: „Pokud je to nutné, držte si ubrousek před ústy.“
Zubní nitě
Zubní nit se začala běžně používat až v 19. století díky úsilí amerického zubaře Leviho Speara Parmlyho. Ve své vlivné knize z roku 1819 Parmly doporučoval, aby se mezi zuby protáhla „voskovaná hedvábná nit“, „aby se odstranila dráždivá hmota, kterou žádný kartáček nedokáže odstranit a která je skutečným zdrojem nemocí“.
Koncem 19. století byly k dispozici komerčně vyráběné zubní nitě z voskovaného nebo nevoskovaného hedvábí. Ve 40. letech 20. století ji z velké části nahradila nylonová zubní nit, což bylo částečně způsobeno nedostatkem hedvábí během druhé světové války a také větší odolností nylonu proti roztřepení. Dnes se nitě vyrábějí z různých syntetických vláken.
Koncem 50. let 20. století se objevily vodní nitě nebo ústní irigátory, které stříkaly proudy vody mezi zuby. Waterpik, představený v roce 1962, byl výsledkem spolupráce zubaře a hydraulického inženýra, kteří údajně zdokonalili jeho čerpací mechanismus až na 146. pokus.
Celkově lze říci, že lepší péče o vlastní zuby v kombinaci s pokroky v profesionální stomatologii a fluorizací měla pozoruhodný účinek.
Matthew J. Messina, odborný asistent na Ohio State University College of Dentistry, který se věnuje historii zubního lékařství, uvádí, že v roce 1960 se dalo očekávat, že 49 % Američanů přijde během života o všechny zuby. Do roku 2010 se toto číslo snížilo na 13 procent, a to navzdory téměř desetiletému nárůstu průměrné délky života. „Moji prarodiče si každý večer vyndávali zuby a dávali si je do skleničky na noční stolek,“ říká. „Moje generace a naše děti vědí, že si můžeme nechat úsměv navždy, a očekáváme, že to tak bude.“
Zuby dávno mrtvých lidí a zvířat odhalují historii novodobých patogenů
Starověká DNA extrahovaná ze zubů lidí, kteří žili dávno, přináší nové informace o minulých i současných patogenech.
V jedné z nejnovějších studií vědci poprvé odhalili a sekvenovali starověké genomy herpesu ze zubů dávno mrtvých Evropanů. Kmen herpes viru, který dnes způsobuje vředy na rtech u lidí – nazývaný HSV-1 – se kdysi předpokládalo, že se objevil v Africe před více než 50 000 lety. Ale nová data, zveřejněná v Science Advances dne 27. července, naznačují, že jeho původ byl mnohem novější: asi před 5000 lety v době bronzové.
Zjištění naznačují, že měnící se kulturní praktiky během doby bronzové, včetně vzniku romantického líbání, mohly zahrnout do meteorického vzestupu HSV-1.
Tato a další studie související s DNA extrahovanou ze zubů vedou k překvapivým pohledům na naši společnou historii s nemocemi, říká Christiana Scheib, archeomolekulární bioložka na univerzitě v Tartu v Estonsku. „Všechny patogeny, které dnes máme, byly kdysi novými infekcemi,“ říká. „Je důležité studovat starověkou DNA, abychom mohli porozumět těmto minulým zkušenostem a ochránit budoucí generace před epidemiemi.“
Průlomy v kostech
Zuby jsou pokladnicemi pro starou DNA, protože mají schopnost chránit biologické molekuly před degradací. V posledním desetiletí vědci používali stále výkonnější sekvenační technologie k rekonstrukci genomů dávno mrtvých lidí a zvířat – nejstarším byl mamut, který zemřel před 1,6 miliony let – pomocí DNA nalezené v jejich zubech.
V tomto procesu také protřídily genetický materiál bakterií a virů uchovaných v zubech. Stoličky, řezáky a podobně mají ve svých kořenech krevní cévy, takže když člověk nebo zvíře zemře, tyto kosti se stanou úložištěm všech patogenů, které se v době smrti pohybovaly jejich krevním řečištěm.
Uvědomění si, že zuby jsou skrýší pro patogenní DNA, otevřelo studium starověkých nemocí „zcela jinému druhu znalostí, než jaké jsme mohli získat dříve“, říká Martin Sikora, výzkumník starověké genomiky na univerzitě v Kodani v Dánsku.
Tato genetická informace poskytla výzkumníkům molekulární důkazy, aby mohli přesně určit, kdy a kde byly patogeny v danou dobu, říká Sikora. V roce 2013 vědci použili DNA extrahovanou ze zubů, aby potvrdili, že Justiniánův mor, který se v šestém století přehnal Středozemním mořem a severní Evropou, byl prvním velkým ohniskem morové bakterie Yersinia pestis. A v červnu jiná skupina výzkumníků oznámila, že kmen Y. pestis, který spustil černou smrt – která ve čtrnáctém století zabila až 60 % lidí v některých částech Eurasie – se pravděpodobně vyvinul v dnešním Kyrgyzstánu. Základ DNA ze zubů nalezených v této oblasti.
Prosévání zůstává
Studium starověké DNA může také pomoci výzkumníkům dozvědět se o historii méně smrtelných patogenů, jako je kmen orálního herpesu, který dnes infikoval asi dvě třetiny celosvětové populace mladší 50 let. V roce 2016 hledala Scheib a její kolegové stopy Y. pestis v 600 let starém zubu teenagera, který zemřel v nemocnici St. John’s Hospital v Cambridgeshire, Spojené království, když narazili na genetické sekvence, které se zdály odpovídat HSV-1.
Do té doby „nebyla vůbec publikována žádná starověká herpesová DNA“, říká. Nejstarší zaznamenaný genom herpesu byl izolován od někoho žijícího v New Yorku v roce 1925. Tento objev přivedl Scheib a její kolegy k hledání známek herpesu v dalších pozůstatcích. K tomu potřeboval tým najít lidi, kteří zemřeli s aktivní infekcí. HSV-1 tráví většinu času schováním v nervovém systému svého hostitele. Ale během období stresu se virus přesune do krevního řečiště a vzplane v „opary“.
Po protřídění desítek pozůstatků vědci nakonec našli a extrahovali herpes DNA ze zubů tří lidí, kteří zemřeli na aktivní infekce, včetně mladé ženy pohřbené v šestém století mimo dnešní Cambridge ve Velké Británii.
Vyhodnocením genetických mutací, které se vyvinuly mezi čtyřmi starověkými genomy, a jejich porovnáním s moderními kmeny HSV-1 vědci vyvodili, že všichni měli společného předka, který se objevil asi před 5000 lety. Před tím kolovaly různé verze herpesu, říká Scheib. Ale HSV-1 se vyvinul, aby je nemilosrdně překonal.
Polib a řekni
Co přesně vedlo tuto novou odrůdu herpes k tomu, aby byla úspěšnější než starší verze, stále není jasné. Ale Scheib říká, že analýza týmu naznačuje, že HSV-1 se objevil během období intenzivní migrace během doby bronzové, kdy se mohl spojit s lidmi, když se stěhovali do Evropy ze stepních pastvin Eurasie.
A mohlo se také rozšířit s rostoucí praxí romantického líbání, které bylo vynalezeno asi před 3 500 lety na indickém subkontinentu a pravděpodobně bylo později přijato v Evropě, během vojenských tažení Alexandra Velikého ve čtvrtém století. Herpes se obvykle šíří z rodiče na dítě blízkým kontaktem. Romantické líbání mohlo poskytnout HSV-1 rychlejší cestu k infekci lidí a mohlo pomoci viru překonat dřívější verze herpesu, říkají vědci.
Úplné odhalení historie herpesu a dalších patogenů bude vyžadovat starší a geograficky rozmanitější vzorky, ale tato studie je dobrým příkladem druhu informací, ke kterým lze přistupovat pomocí starověké DNA, říká Daniel Blanco-Melo, evoluční virolog na univerzitě z Washingtonu v Seattlu.
Teoreticky by vědci mohli sekvenovat DNA z patogenů, které infikovaly ještě starší lidi a zvířata, potenciálně žijící před milionem let, říká Sikora. To by mohlo vědcům umožnit dozvědět se o organismech, které infikovaly staré lidské druhy, jako jsou neandrtálci a denisovani. Technologická omezení však znamenají, že vědci jsou v současné době schopni sekvenovat pouze genetický materiál patogenů, které obsahují dvouvláknovou DNA, s výjimkou mnoha důležitých RNA virů, jako jsou ty, které způsobují obrnu a spalničky.
Přesto stará DNA poskytuje okno do naší společné historie s nemocemi, říká Sikora. „Jsme na začátku zrání tohoto oboru,“ dodává. „Očekávám, že v příštích několika letech získáme velmi vzrušující nové poznatky.“
Zdroj: NATURE
Warning: Undefined array key "sssp-ad-overlay-priority" in /data/web/virtuals/326454/virtual/www/wp-content/plugins/seznam-ads/includes/class-seznam-ssp-automatic-insert.php on line 276
Foto: Ilustrační/Openverse
Foto: geralt/ pixabay
Foto: Clker-Free-Vector-Images/ pixabay
Foto: Dr. Barbara Veselka/Univerzita Kodaň