Jak má hmyz oči – Věda
Podařilo se reprodukovat přirozený samočistící antireflexní povlak
Vědci z Far Eastern Federal University (FEFU) spolu se švýcarskými kolegy studovali nanostruktury pokrývající rohovku očí much Drosophila a na jejich příkladu se naučili, jak ekonomicky a ekologicky vyrábět bezpečné biologicky odbouratelné nanopovlaky s antimikrobiálními, anti- reflexní a samočisticí vlastnosti, které lze využít téměř ve všech oborech lidské činnosti, včetně lékařství, nanoelektroniky, automobilového průmyslu a textilního průmyslu.
Ukončete režim celé obrazovky
Rozbalte na celou obrazovku
Foto: ekamelev / unsplash.com
Tým vědců z FEFU, Univerzity v Ženevě a Lausanne a také ETH Zurich provedl mezioborovou studii, jejímž výsledkem byla přesná reprodukce nanopovlaku rohovky much Drosophila, která chrání oči hmyzu před nejmenší zrnka prachu a ruší odraz světla.
Nanopovlak lze aplikovat na jakékoli trojrozměrné struktury a použít jej v různých oblastech. V závislosti na úkolech jí mohou být dány antireflexní, antibakteriální a hydrofobní vlastnosti, včetně schopnosti samočištění, což je například velmi důležité u drahých opakovaně použitelných kontaktních čoček, které korigují tvar čočky. Podobné antireflexní povlaky, vytvořené složitějšími a dražšími metodami, se dnes používají na počítačové panely, brýle a drahé obrazy v muzeích, aby se eliminoval odraz a lom světla.
„Nanopovlak lze syntetizovat v jakémkoli požadovaném množství a metoda syntézy je ekonomicky výhodnější ve srovnání se stávajícími metodami výroby podobných struktur, protože zajišťuje práci s přírodními složkami a není potřeba speciální vybavení, značná spotřeba energie a přísná omezení, která jsou nutná pro chemické leptání, litografii a laserový tisk,“ vysvětluje vedoucí práce Vladimir Katanaev, vedoucí laboratoře farmakologie přírodních látek. na Fakultě biomedicíny Federální univerzity Dálného východu. — Oblasti použití vývoje mohou být velmi odlišné. Je možné strukturálně barvit textilie, které budou měnit svou barvu v závislosti na úhlu pohledu, vytvořit efekt „neviditelného pláště“ pro speciální struktury a struktury, antibakteriální povlak pro lékařské implantáty a samočistící povlak pro kontaktní čočky. Také věříme, že pokud bude nanopovlak zesílen, může být použit k vytvoření prototypů flexibilních miniaturních tranzistorů pro moderní elektroniku.“
Vědcům se podařilo uměle znovu sestavit povlak rohovky much Drosophila pomocí reverzních a přímých bioinženýrských metod: nejprve „rozebrali“ ochrannou vrstvu rohovky na její složky, kterými se ukázal být retininový protein a rohovkový vosk ( tuky) a poté jej reprodukovaly při pokojové teplotě a přikryly jej sklem a plastem.
Podle Vladimira Katanaeva je možné potáhnout ochrannou vrstvou jakékoli jiné typy materiálů, pokud zkombinujete retinin s jinými typy vosků, a také provádět genetické manipulace se samotným proteinem, což také umožní vytvořit složitější funkční struktury založené na nanopovlaku.
Vědec řekl, že mechanismus, který je základem tvorby ochranných nanostruktur na rohovce much Drosophila, je samoorganizující se proces popsaný Alanem Turingem v roce 1952 jako mechanismus reakce-difúze. To bylo potvrzeno pomocí matematického modelování. Stejným principem se tvoří například skvrny na kůži zebry nebo leoparda. Nanostruktury chránící rohovky ovocných mušek jsou prvním známým příkladem Turingových vzorů v nanoměřítku.
Během studie se vědci blíže seznámili s vlastnostmi retininu, které byly dříve málo prozkoumány. Ukázalo se, že tento původně nestrukturovaný protein tvoří při interakci s rohovkovými vosky globulární strukturu. Bylo tak možné nahlédnout hluboko do biofyzikálního mechanismu sebeorganizace podle Turingova modelu a vyzdvihnout v něm důležitý molekulární proces – spuštění strukturování proteinů.
Další fází práce může být modelování na základě Turingova mechanismu trojrozměrného nanopovlaku (s nanotrychtýřem, nanokolony, nanotangly v tloušťce povlaku), které se stane prací na samé hranici moderního vědeckého poznání a dokáže mají velmi zajímavé zásadní a aplikované důsledky.
Profesor Vladimir Katanaev začal studovat strukturu oka drozofily asi před 10 lety. První údaje byly podle vědce získány téměř náhodou, když se v rámci spolupráce s laboratoří Igora Serdyuka z Protein Institute v Pushchino pomocí mikroskopie atomární síly zjistilo, že povrch rohovky mušky nejsou hladké, ale jsou pokryty krásnými vzory pseudouspořádaných nano výrůstků. Ukázalo se, že tento druh nanopovlaku byl popsán již koncem 1960. let na povrchu očí většího hmyzu – můr, u nichž tyto částice plní i antireflexní funkci, snižují odraz dopadajícího světla na nulu a činí jej možné optimalizovat vnímání světla ve tmě.
Byly použity materiály z článku Reverse and forward engineering of Drosophilacorneal nanocoatings; Michail Krjučkov, Oleksii Bilousov, Jannis Lehmann, Manfred Fiebig, Vladimir L. Katanajev; Časopis Nature, září 2020
Připravil Alexander Zverev