Stive fibre spundet af slim

Naturen er en glimrende lærer - selv for materialeforskere. Forskere, herunder forskere ved Max Planck Institute of Colloids and Interfaces, har nu observeret en bemærkelsesværdig mekanisme, hvormed polymermaterialer dannes. For at fange bytte, fløjlsorm skyder en klæbrig sekretion ud, der stivner til stærke tråde under kraftpåvirkning. Det ekstraordinære ved disse tråde er, at de kan opløses og derefter reformeres igen. Det faktum, at reversible polymerfibre kan trækkes fra den tidligere flydende sekretion, er et meget interessant koncept for forskere. Det er ganske muligt, at det en dag vil være muligt at syntetisere nye genanvendelige materialer baseret på princippet om fløjlsorm.

Nogle dyr producerer fantastiske materialer. Edderkoppesilke, for eksempel, er stærkere end stål. Muslinger udskiller byssus -tråde, som de bruger til at klæbe tæt til sten under vand. Materialet udskilt af fløjlsorm er ikke mindre imponerende. Disse små ormlignende dyr, der ligner et kryds mellem en regnorm og en larve, sprøjt en klæbrig væske for at afværge fjender eller fange byttedyr, der er særligt dødbringende for byttedyr som f.eks. sirisser og edderkopper:Så snart de forsøger at vride sig ud af de slimede tråde, deres kampe får trådene til at hærde, efterlader intet håb om flugt.

"De forskydningskræfter, der genereres af byttens kampe, får slimet til at hærde til stive filamenter, "forklarer Alexander Bär, en doktorand ved universitetet i Kassel, der studerer under fløjlsormekspert Georg Mayer. For at undersøge slim fra en australsk fløjlsormart, Biologen arbejdede tæt sammen med forskere fra Max Planck Institute of Colloids and Interfaces i Potsdam. Kemikeren Stephan Schmidt, for eksempel, nu juniorprofessor ved Heinrich Heine Universitet i Düsseldorf, været med til at belyse slimens nanostruktur. En forskergruppe ledet af biokemiker Matt Harrington i Biomaterials Department på Potsdam Institute fokuserede på andre spørgsmål vedrørende den kemiske sammensætning og molekylær forarbejdning. Den tværfaglige gruppe af forskere var særligt interesseret i, hvordan sekretets sammensætning og struktur ændres under tråddannelse.

Slank blanding af proteiner og fedtsyrer

"Vi havde allerede vidst, at slimet hovedsageligt består af store proteinmolekyler og fedtsyrer, "Siger Alexander Bär. På Max Planck Institute i Potsdam, forskerne opdagede, at proteiner og lipider kombineres til at danne små kugler. "Fløjlsorm producerer protein- og fedtmolekylerne samt andre komponenter separat", Forklarer Bär. "Uden for kirtelcellerne, nanoglobulerne dannes derefter uafhængigt for at skabe de tråddannende og klæbende egenskaber. "Kuglerne dannes med bemærkelsesværdig præcision, idet de er ensartede i form og altid omkring 75 nanometer i diameter.

Fløjlsorme opbevarer deres flydende våben, indtil det er nødvendigt. De skyder derefter slimet på deres bytte eller fjende gennem to dyser placeret på hver side af hovedet ved hjælp af muskelsammentrækninger. "Først ændres den klæbrige konsistens ikke, "Siger Bär." Dog, så snart byttet begynder at kæmpe, forskydningskræfter virker på slimet for at briste nanoglobulerne. "Vibrationsspektroskopiundersøgelser i Potsdam viste, at proteiner og fedtsyrer adskilles i processen." Hvorimod proteinerne danner lange fibre i slimens indre, lipid- og vandmolekylerne forskydes til ydersiden og danner en slags kappe, "Forklarer Bär. Forskerne fandt også ud af, at proteinstrengen indeni har en trækstivhed, der ligner Nylon. Dette forklarer filamenternes bemærkelsesværdige ydeevne.

Polymeriserede tråde opløses i vand igen

Yderligere forsøg viste, at de polymeriserede slimtråde kan opløses i vand igen inden for få timer efter tørring. "Det forbløffende for os var, at proteiner og lipider tilsyneladende blandes igen for at danne de samme nanoglobuler, som vi allerede havde fundet i det originale slim, "Siger Matt Harrington. De nydannede protein-lipidkugler var endda ens i størrelse som dem i den naturlige sekretion." Åbenbart, en mekanisme for selvorganisering er på arbejde, som vi endnu ikke helt forstår, "Siger Harrington.

En anden opsigtsvækkende opdagelse var, at klæbrige tråde kan trækkes igen fra det genvundne slim. Og de opførte sig nøjagtigt som frisk udskilt fløjlsormsekretion under påvirkning af forskydningskræfter:de hærdet. "Dette er et godt eksempel på en fuldstændig reversibel og ubestemt gentagelsesproces, "siger Matt Harrington. Spændende nok, alt dette opnås med biomolekyler og ved normale omgivelsestemperaturer. Fløjlorm kan derfor tjene som model for producenter af syntetiske polymerer og kunne tænkes at lære dem meget om bæredygtig produktion af syntetiske materialer.

Harrington er enig. Biokemikeren kan godt forestille sig, at vi en dag vil være i stand til at syntetisere makromolekyler til industrielle anvendelser på en lignende måde baseret på vedvarende råvarer. I tilfælde af edderkoppesilke, det har allerede været muligt at producere analoge proteiner industrielt og at levere de fibre, der er fremstillet heraf, til beklædningsindustrien.

Hvordan adskilles proteiner og lipidmolekyler?

En polymer, der opløses i vand, som de størknede tråde af fløjlsorm, sandsynligvis ville være upraktisk. Men princippet kunne skabe nye inspirationer inden for materialevidenskab, Matt Harrington mener. "I øjeblikket, det første trin er at forstå mekanismerne bedre, "siger biomaterialespecialisten, som nu har påbegyndt et professorat ved McGill University i Montreal. For eksempel, forskerne er interesserede i, hvorfor mekaniske forskydningskræfter i første omgang får proteinerne til at adskille sig fra lipidmolekylerne. De vil også bestemme de faktorer, der styrer den reversible dannelse af nanoglobuler af ensartet størrelse. Et andet ubesvaret spørgsmål er, hvordan proteinenhederne kombineres til at producere stive fibre uden at danne faste kemiske bindinger, siger Max Planck -forsker Harrington.