Учёные превращают мочу в минерал для костей и зубов

Учёные разработали метод, позволяющий преобразовывать человеческую мочу в твёрдый минерал, входящий в состав костей и зубной эмали.

Исследование, финансируемое Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов США (DARPA), использует дрожжи для расщепления мочи с получением гидроксиапатита — формы кальция, применяемой в костных и зубных имплантатах.

Но гидроксиапатит полезен не только в медицине. По словам авторов исследования, этот материал можно использовать в археологической реставрации, в качестве биоразлагаемой альтернативы пластику, а также в строительстве. Результаты работы были опубликованы 6 мая в журнале Nature Communications.

«Этот процесс решает сразу две задачи», — заявил соавтор исследования Дэвид Кисайлус, профессор материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Ирвайне. «С одной стороны, он помогает удалять мочу из сточных вод, снижая загрязнение окружающей среды и накопление вредных веществ. С другой — создаёт материал, который можно коммерциализировать и применять в самых разных сферах».

Гидроксиапатит — это прочное соединение, состоящее из заряженных молекул кальция, фосфата и гидроксида. Он встречается в природе, являясь основным компонентом костей и зубов. Благодаря этому он идеально подходит для медицинских имплантатов: организм не отторгает его, а сам материал стимулирует рост тканей.

Однако синтез этого минерала — дорогостоящий процесс, а некоторые методы его получения сопровождаются образованием токсичных промежуточных веществ. У млекопитающих, включая человека, гидроксиапатит вырабатывается особыми клетками — остеобластами, которые извлекают фосфат кальция из жидкостей организма. Но эти клетки живут недолго и редко делятся, что делает их промышленное использование крайне сложным.

Чтобы найти альтернативный способ производства гидроксиапатита, учёные обратились к дрожжам Saccharomyces boulardii. Этот вид дрожжей, встречающийся на кожуре тропических фруктов (например, личи), часто используется в пробиотиках.

Модифицировав генетическую структуру этих дрожжей, исследователи превратили их в так называемые «остеодрожжи», способные расщеплять мочевину с выделением гидроксиапатита. Мочевина — это побочный продукт распада белков в организме, который фильтруется почками и выводится с мочой. По данным учёных, из одного литра мочи можно получить около грамма гидроксиапатита.

«Процесс получения гидроксиапатита, или костного минерала, занимает менее суток», — пояснил Кисайлус. «Использование дрожжей в качестве основы — дёшево, их можно выращивать в больших ёмкостях при относительно низких температурах (как в пивоварении). Это означает, что метод легко масштабировать без серьёзных инфраструктурных затрат, что особенно важно для развивающихся стран».

Доказав эффективность метода, учёные теперь работают над его масштабированием. Они надеются применять эту технологию для 3D-печати материалов на основе гидроксиапатита — от медицинских имплантатов до строительных конструкций и энергетических решений.

Перспективы технологии

В будущем этот метод может стать экологически чистым решением сразу нескольких глобальных проблем:

• Очистка сточных вод (снижение нагрузки на водоочистные сооружения).

• Производство биоразлагаемых материалов (альтернатива пластику).

• Медицина и регенеративная хирургия (дешёвые и биосовместимые имплантаты).

• Строительство (прочные и экологичные материалы).

Исследователи также изучают возможность использования других биологических отходов для синтеза полезных минералов, что может открыть новые пути в биотехнологиях и устойчивом производстве.