Svampespøgelser beskytter huden, stof fra toksiner, stråling

Ideen om at skabe selektivt porøse materialer har fanget kemikeres opmærksomhed i årtier. Nu, ny forskning fra Northwestern University viser, at svampe kan have gjort præcis dette i millioner af år.

Da Nathan Gianneschis laboratorium satte sig for at syntetisere melanin, der ville efterligne det, der blev dannet af visse svampe, der vides at leve usædvanligt, fjendtlige miljøer inklusive rumskibe, opvaskemaskiner og endda Tjernobyl, de forventede oprindeligt ikke, at materialerne ville vise sig at være meget porøse - en egenskab, der gør det muligt for materialet at lagre og fange molekyler.

Melanin er blevet fundet på tværs af levende organismer, på vores hud og bagsiden af ​​vores øjne, og som pigmenter til mange dyr og planter. Det spiller også en rolle i at beskytte arter mod miljøstressorer. Skildpaddehovedede havslangers striber bliver mørkere, for eksempel, i nærværelse af forurenet vand; møl, der lever i industriområder, bliver sorte, da deres celler absorberer giftstoffer i sod. Forskerne spekulerede på, om denne type biomateriale kunne gøres mere svampelignende, at optimere disse egenskaber. Og, på tur, om svampelignende melaniner allerede eksisterede i naturen.

"Melanins funktion er ikke fuldt ud kendt hele tiden og i alle tilfælde, "Gianneschi, den tilsvarende forfatter på undersøgelsen, sagde. "Det er bestemt en radikal renser i menneskelig hud og beskytter mod UV-skader. Nu, gennem syntese er vi stødt på dette spændende materiale, som meget vel kan eksistere i naturen. Svampe kan gøre dette materiale til at tilføje mekanisk styrke til deres celler, men er porøs, tillader næringsstoffer at komme igennem."

Undersøgelsen vil blive offentliggjort fredag ​​d. 5. marts, i Journal of the American Chemical Society .

Gianneschi er Jacob og Rosaline Cohn-professor i kemi ved Weinberg College of Arts and Sciences. Med udnævnelser i afdelingerne for materialevidenskab og biomedicinsk ingeniør i McCormick School of Engineering, Gianneschi er også associeret direktør for International Institute for Nanotechnology.

Evnen til at skabe dette materiale i et laboratorium er opmuntrende af en række årsager. I typiske ikke-porøse materialer, partikler adsorberes kun overfladisk på overfladen. Men porøse materialer som allomelanin opsuger og holder på uønskede toksiner, mens de tillader gode ting som luft, vand og næringsstoffer igennem. Dette kan give producenterne mulighed for at skabe åndbare, beskyttende belægninger til uniformer.

"Du er altid begejstret for at opdage noget, der er potentielt nyttigt, " sagde Gianneschi. "Men der er også den spændende idé, at ved at opdage dette, måske findes der allerede flere materialer som dette derude i biologien. Der er ikke mange eksempler på, hvor kemisk syntese fører til en biologisk opdagelse. Det er oftest omvendt."

Naneki McCallum, en kandidatstuderende forsker i laboratoriet og første forfatter på papiret, havde bemærket, at under de rigtige forhold, melanin så ud til at være hult, eller kunne laves til at indeholde hvad der lignede hulrum ved elektronmikroskopi. Da holdet stødte på det syntetiske materiale, de begyndte at eksperimentere med porøsitet og selektivitet af materialerne til at adsorbere molekyler i disse hulrum.

I en nøgledemonstration, holdet, arbejder med forskere ved Naval Research Laboratory, var i stand til at vise, at den nye porøse melanin ville fungere som en beskyttende belægning, forhindre simulanter af nervegas i at trænge igennem. Inspireret af dette resultat, de isolerede derefter naturligt forekommende melanin fra svampeceller. Dette blev gjort ved at ætse biomateriale væk indefra, efterlader en skal indeholdende melanin. De kalder disse strukturer "svampespøgelser" for de undvigende, hule forms "Casper"-lignende kvalitet. Materialet, afledt af svampe kunne også, igen bruges som et beskyttende lag i stoffer. Bemærkelsesværdigt, materialet forbliver åndbart, lade vandet passere, mens du fanger toksiner.

En anden fordel ved dette materiale er dets enkelhed, da det nemt kan produceres og skaleres ud fra simple molekylære prækursorer. I fremtiden, det kan bruges til at fremstille beskyttelsesmasker og ansigtsskærme og har potentiale til anvendelse i langdistance rumflyvning. Belægningsmaterialer i rummet ville gøre det muligt for astronauter at opbevare toksiner, de ånder ud, mens de beskytter sig selv mod skadelig stråling. giver mindre spild og vægt.

Det er også et skridt mod selektive membraner, et meget komplekst studieområde, der sigter mod at tage forbindelser som vand og tillade sunde mineraler at passere igennem og samtidig blokere tungmetaller som kviksølv.

"Svampe kan trives på steder, hvor andre organismer kæmper, og de har melanin til at hjælpe dem med at gøre det, " sagde McCallum. "Så, vi spørger, hvad er de egenskaber, vi kan udnytte ved at genskabe sådanne materialer i laboratoriet?"

Avisen har titlen, "Allomelanin:En biopolymer af indre mikroporøsitet."