Hvorfor er zebramuslinger så klistrede? Undersøgelse kan føre til nye industrielle belægninger, medicinske klæbemidler

En vandtank fuld af hvirvelløse dyr på møntstørrelse er måske ikke den første ting, du ville forvente at se i et materialevidenskabeligt og teknisk forskningslaboratorium.

Men Eli Sone, professor i afdelingen for materialevidenskab og ingeniørvidenskab ved University of Toronto's Faculty of Applied Science &Engineering og Institute of Biomedical Engineering, og hans team har studeret både zebra- og quaggamuslinger i årevis i håb om, at de kan hjælpe med at løse en bred vifte af udfordringer.

"Der er en materialevidenskabelig vinkel, men der er også en biomedicinsk vinkel," siger Sone. "På den ene side er disse muslinger et problem med hensyn til det, vi kalder biofouling, så vi søger at designe materialer eller belægninger for at forhindre dem i at tilstoppe vandindtagsrørene, for eksempel."

"Men på den anden side, hvis vi forstår, hvorfor de klæber så godt, kan det hjælpe os med at designe ting som ikke-giftige biologisk nedbrydelige lime, som kunne tilbyde et alternativ til interne sting til kirurgi eller lokaliserede lægemiddelleveringsapplikationer."

Zebra- og quaggamuslinger er hjemmehørende i søerne og floderne i det sydlige Rusland og Ukraine. De ankom til de store søer i Nordamerika i 1980'erne - sandsynligvis ved at slå en tur i ballastvandet fra skibe, der afgik fra Europa.

De er siden blevet invasive i mange nordamerikanske vandveje og har fortrængt indfødte muslingearter og begroet både, vandindtagsrør og anden infrastruktur.

Holdets seneste undersøgelse, for nylig offentliggjort i Scientific Reports , skitserer nye teknikker til måling af zebra- og quaggamuslingers adhæsion til forskellige overflader.

"En af udfordringerne er, hvor små disse muslinger er sammenlignet med andre arter," siger U of T Engineering alumnus Bryan James, der arbejdede på projektet som en del af sin bachelorafhandling og nu er post-doc forsker ved Woods Hole Oceanographic Institution i Woods Hole, Mass.

"Trådene, de bruger til at fastgøre sig til overflader, er kun et par millimeter lange og så tynde som et menneskehår. Du kan ikke sætte dem i et traditionelt apparat til at teste trækstyrke."

Holdets improviserede løsning involverede et par selvlukkende pincet med fin spids, et digitalkamera og en kraftmåler. Med disse var de i stand til at måle, hvor meget kraft der skulle til for at bryde den proteinbaserede lim, som muslingerne udskiller.

Holdet fandt ud af, at muslingerne klæbede stærkere til glas, end de gjorde til plastik såsom PVC eller PDMS. Dette var forventet, da glas er et hydrofilt (vandtiltrækkende) materiale svarende til de sten, som muslingerne bruger som substrater i naturen. PDMS på den anden side afviser vand og påføres ofte bådskrog for at forhindre biobegroning.

Men der var også nogle overraskelser.

"Den faktiske størrelse af disse værdier var sammenlignelig med - eller i nogle tilfælde større end - de rapporterede værdier for andre muslingearter," siger James. "Det tyder på, at der godt kan være noget særligt ved den lim, de har udviklet."

Efter at trådene var blevet løsnet, scannede teamet limen efterladt på overfladerne ved hjælp af elektronmikroskopi.

"På nogle overflader fandt vi, at en tynd proteinrest var efterladt efter løsrivelse," siger Kenny Kimmins, en nuværende ph.d. elev i Sones laboratorium.

"Dette viser, at proteinerne ved grænsefladen interagerer meget stærkt med disse overflader selv under våde forhold, hvilket de fleste syntetiske klæbemidler ikke kan."

Sone og hans team fortsætter deres forskning i området og arbejder sammen med lektor Ben Hatton om nye typer overflader for at forhindre tilsmudsning af kritisk infrastruktur.

»Lige nu bruger man ofte kemisk behandling til at fjerne muslingerne,« siger Sone. "Det virker, men det dræber også alt andet i nærheden. At have overflader, der naturligt er svære for muslingerne at holde sig til, kunne tilbyde en mere miljømæssigt bæredygtig løsning."

Holdet analyserer også limen produceret af både zebra- og quaggamuslinger med det formål at efterligne dem i biomedicinske klæbemidler.

"Naturen har haft et par millioner års forspring med hensyn til at designe højtydende klæbemidler, der er modstandsdygtige, selv når de er våde," siger Sone. "Hvis vi kan lære af det, kan vi måske komme med bedre løsninger, end vi har lige nu."