Anti-reflekterende belægning inspireret af flueøjne

Mange insekters øjne, inklusive frugtfluen, er dækket af en tynd, gennemsigtig belægning bestående af bittesmå fremspring med anti-reflekterende, anti-klæbende egenskaber. En artikel publiceret i tidsskriftet Natur afslører hemmelighederne bag, hvordan denne nano-coating er lavet.

Forfatterne, fra Universitetet i Genève (UNIGE) og Universitetet i Lausanne (UNIL) – sammen med ETH Zurich (ETHZ) – viser, at belægningen kun består af to ingredienser:et protein kaldet retinin og hornhindevoks. Disse to komponenter genererer automatisk det almindelige netværk af fremspring ved at spille rollerne som aktivator og inhibitor, henholdsvis, i en morfogeneseproces modelleret i 1950'erne af Alan Turing. Det multidisciplinære team lykkedes endda med at genskabe fænomenet kunstigt ved at blande retinin og voks på forskellige slags overflader. denne proces, som er meget billig og er baseret på biologisk nedbrydelige materialer, blev brugt til at opnå nano-coatings med en morfologi svarende til insekters, med anti-adhæsive og anti-reflekterende funktionaliteter, der kan have adskillige anvendelser i områder så forskellige som kontaktlinser, medicinske implantater og tekstiler.

"Nano-coatingen, der dækker overfladen af ​​øjnene på nogle insekter, blev opdaget i slutningen af ​​1960'erne i møl, " siger Vladimir Katanaev, en professor ved Institut for Cellefysiologi og Metabolisme på UNIGEs Medicinske Fakultet og undersøgelsens ledende efterforsker. "Den består af et tæt netværk af små fremspring på omkring 200 nanometer i diameter og adskillige snesevis af nanometer i højden. Det har den effekt, at det reducerer lysreflektion."

Hornhinden på et insekt uden belægning reflekterer typisk omkring 4 % af det indfaldende lys, hvorimod andelen falder til nul hos insekter, der har dækket. Selvom en forbedring på 4 % kan virke lille, det er nok en fordel - især under mørke forhold - at være blevet udvalgt under evolutionen. Takket være dets anti-klæbende egenskaber, belægningen giver også fysisk beskyttelse mod de mindste støvpartikler i luften.

Professor Katanaev flyttede ind i dette forskningsfelt for ti år siden. I 2011 han og hans team var de første til at opdage nano-coatingen på øjnene af frugtfluer (Drosophila melanogaster). Dette insekt er meget mere egnet til videnskabelig forskning end møl, især fordi dets genom er blevet fuldstændig sekventeret.

Alan Turing:vejledende lys

Baseret på deres foreløbige resultater, i 2015 foreslog professor Katanaev og hans kolleger, at nano-coatingen var resultatet af en morfogenesemekanisme, som den britiske matematiker Alan Turing havde modelleret i 1950'erne. Denne model hævder, at to molekyler organiseres automatisk for at producere mønstre i almindelige pletter eller strimler. Den første fungerer som en aktivator, starte en proces, hvor et særligt mønster opstår og selvforstærker. Men det stimulerer også det andet molekyle på samme tid, som virker hæmmende og spredes hurtigere. Denne model har gjort det muligt at forklare naturfænomener på en makroskopisk skala – såsom pletterne på en leopard eller striberne på en zebra – og på en mikroskopisk skala, men endnu aldrig på den nanoskopiske skala.

Den Genève-baserede forsker har nu samlet flere beviser for at understøtte denne hypotese. Takket være biokemiske analyser og brugen af ​​genteknologi, Det er lykkedes professor Katanaev og hans kolleger at identificere de to komponenter, der er involveret i reaktions-diffusionsmodellen udviklet af Turing. Dette afhænger af et protein kaldet retinin og voks produceret af flere specialiserede enzymer, hvoraf to er blevet identificeret. Retinin spiller rollen som aktivator:med sin oprindeligt ustrukturerede form, den antager en kugleformet struktur ved kontakt med voksen og begynder at generere mønsteret. Voksen, på den anden side, spiller rollen som inhibitor. Powerplayet mellem de to fører til fremkomsten af ​​nano-coatingen.

Kunstig nano-coating

"Vi formåede efterfølgende at producere retinin til meget lave omkostninger ved hjælp af bakterier, der er genetisk modificeret til dette formål, " siger professor Katanaev. "Efter at have renset det, vi blandede det med forskellige kommercielle voksarter på glas- og plastoverflader. Vi var derefter i stand til at reproducere nano-coatingen meget nemt. Det ligner i udseende den belægning, der findes i insekter og har anti-reflekterende og anti-klæbende egenskaber. Vi tror, ​​at vi kan afsætte denne type nano-coating på næsten enhver form for overflade, herunder træ, papir, metal og plastik."

Indledende test har vist, at belægningen er modstandsdygtig over for 20 timers vask i vand (den beskadiges let af rengøringsmiddel eller ridser, selvom teknologiske forbedringer kunne gøre det mere robust). De anti-reflekterende egenskaber har allerede vakt en vis grad af interesse blandt producenter af kontaktlinser, mens de anti-adhæsive egenskaber kunne appellere til producenterne af medicinske implantater. Ja, denne type belægning kunne gøre det muligt at kontrollere, hvor menneskelige celler hægter sig på. Industrien har allerede de nødvendige teknikker til at opnå dette resultat. Men de bruger hårde metoder, såsom lasere eller syrer. Genève-teamets løsning har den fordel, at den er billig, godartet og fuldstændig biologisk nedbrydeligt.