De natuur is een uitstekende leermeester – zelfs voor materiaalwetenschappers. onderzoekers, waaronder wetenschappers van het Max Planck Institute of Colloids and Interfaces, hebben nu een opmerkelijk mechanisme waargenomen waardoor polymeermaterialen worden gevormd. Om prooien te vangen, fluwelen wormen schieten een kleverige afscheiding uit die onder invloed van kracht verstijft tot sterke draden. Het bijzondere van deze draden is dat ze kunnen worden opgelost en vervolgens weer opnieuw kunnen worden gevormd. Het feit dat omkeerbare polymeervezels kunnen worden getrokken uit de voorheen vloeibare secretie, is een zeer interessant concept voor onderzoekers. Het is heel goed mogelijk dat het op een dag mogelijk zal zijn om nieuwe recyclebare materialen te synthetiseren op basis van het principe van fluwelen wormen.

Sommige dieren produceren verbazingwekkende materialen. spin zijde, bijvoorbeeld, is sterker dan staal. Mosselen scheiden byssusdraden af, waarmee ze zich onder water stevig aan stenen vastklampen. Het materiaal dat wordt afgescheiden door fluwelen wormen is niet minder indrukwekkend. Deze kleine wormachtige dieren, die eruit zien als een kruising tussen een regenworm en een rups, spuit een kleverige vloeistof om vijanden af ​​te weren of een prooi te vangen die bijzonder dodelijk is voor prooien zoals pissebedden, krekels en spinnen:zodra ze zich uit de slijmerige draden proberen te wurmen, hun strijd zorgt ervoor dat de draden verharden, zonder hoop op ontsnapping.

"De schuifkrachten gegenereerd door de strijd van de prooi zorgen ervoor dat het slijm uithardt tot stijve filamenten, " legt Alexander Bär uit, een doctoraatsstudent aan de Universiteit van Kassel, die studeert onder de fluwelen worm-expert Georg Mayer. Om het slijm van een Australische fluwelen wormsoort te onderzoeken, de bioloog werkte nauw samen met onderzoekers van het Max Planck Institute of Colloids and Interfaces in Potsdam. De chemicus Stephan Schmidt, bijvoorbeeld, nu een junior professor aan de Heinrich Heine University in Düsseldorf, hielp de nanostructuur van het slijm op te helderen. Een onderzoeksgroep onder leiding van biochemicus Matt Harrington in de afdeling Biomaterialen van het Potsdam Institute richtte zich op andere vragen over de chemische samenstelling en moleculaire verwerking. De interdisciplinaire groep wetenschappers was vooral geïnteresseerd in hoe de samenstelling en structuur van de secretie verandert tijdens draadvorming.

Slijmerige mix van eiwitten en vetzuren

"We wisten al dat het slijm voornamelijk bestaat uit grote eiwitmoleculen en vetzuren, " zegt Alexander Bär. Aan het Max Planck Instituut in Potsdam, de onderzoekers ontdekten dat de eiwitten en lipiden samen kleine bolletjes vormen. "Fluwelen wormen produceren de eiwit- en vetmoleculen en andere componenten afzonderlijk", Bär legt het uit. "Buiten de kliercellen, de nanobolletjes vormen zich vervolgens onafhankelijk om de draadvormende en hechtende eigenschappen te creëren." De bolletjes worden gevormd met opmerkelijke precisie omdat ze uniform van vorm zijn en altijd ongeveer 75 nanometer in diameter.

Fluwelen wormen bewaren hun vloeibare wapen totdat het nodig is. Vervolgens schieten ze het slijm op hun prooi of vijand door middel van twee sproeiers aan weerszijden van hun hoofd door middel van spiersamentrekkingen. "In het begin verandert de kleverige consistentie niet, " zegt Bär. "Echter, zodra de prooi begint te worstelen, schuifkrachten werken op het slijm om de nanobolletjes te scheuren." Trillingsspectroscopie-onderzoeken in Potsdam toonden aan dat eiwitten en vetzuren zich tijdens het proces scheiden. "Terwijl de eiwitten lange vezels vormen in het binnenste van het slijm, de lipide- en watermoleculen worden naar buiten verplaatst en vormen een soort omhulsel, " legt Bär uit. De onderzoekers ontdekten ook dat de eiwitstreng binnenin een trekstijfheid heeft die vergelijkbaar is met die van nylon. Dit verklaart de opmerkelijke prestaties van de filamenten.

Gepolymeriseerde draden lossen weer op in water

Verdere experimenten toonden aan dat de gepolymeriseerde slijmdraden binnen enkele uren na drogen weer in water opgelost kunnen worden. "Het verbazingwekkende voor ons was dat de eiwitten en lipiden blijkbaar opnieuw vermengen om dezelfde nanobolletjes te vormen die we al in het oorspronkelijke slijm hadden gevonden, Matt Harrington zegt. De nieuw gevormde eiwit-lipide bolletjes waren zelfs vergelijkbaar in grootte met die in de natuurlijke afscheiding. een mechanisme van zelforganisatie aan het werk is dat we nog niet volledig begrijpen, ' zegt Harrington.

Een andere verrassende ontdekking was dat uit het teruggevonden slijm weer kleverige draden kunnen worden getrokken. En ze gedroegen zich precies als vers uitgescheiden fluweelwormafscheiding onder invloed van schuifkrachten:ze verhardden. "Dit is een mooi voorbeeld van een volledig omkeerbaar en oneindig herhaalbaar regeneratieproces, " zegt Matt Harrington. Intrigerend, dit wordt allemaal bereikt met biomoleculen en bij normale omgevingstemperaturen. Fluweelwormen zouden dus model kunnen staan ​​voor fabrikanten van synthetische polymeren en hen wellicht veel leren over de duurzame productie van synthetische materialen.

Harrington is het daarmee eens. De biochemicus kan zich goed voorstellen dat we ooit op een vergelijkbare manier macromoleculen voor industriële toepassingen kunnen synthetiseren op basis van hernieuwbare grondstoffen. In het geval van spinrag, het is al mogelijk om analoge eiwitten industrieel te produceren en de daaruit geproduceerde vezels aan de kledingindustrie te leveren.

Hoe worden eiwitten en lipidemoleculen gescheiden?

Een polymeer dat oplost in water, als de gestolde draden van fluwelen wormen, zou waarschijnlijk onpraktisch zijn. Maar het principe zou nieuwe inspiratie kunnen opleveren in de materiaalwetenschap, Matt Harrington gelooft. "Momenteel, de eerste stap is om de mechanismen beter te begrijpen, " zegt de biomaterialenspecialist, die nu is begonnen met een hoogleraarschap aan de McGill University in Montreal. Bijvoorbeeld, de wetenschappers zijn geïnteresseerd in waarom mechanische schuifkrachten ervoor zorgen dat de eiwitten zich in de eerste plaats van de lipidemoleculen scheiden. Ze willen ook de factoren bepalen die de omkeerbare vorming van nanobolletjes van uniforme grootte bepalen. Een andere onbeantwoorde vraag is hoe de eiwiteenheden combineren om stijve vezels te produceren zonder vaste chemische bindingen te vormen, zegt Max Planck-onderzoeker Harrington.