Het idee om selectief poreuze materialen te maken, trekt al tientallen jaren de aandacht van chemici. Nutsvoorzieningen, nieuw onderzoek van de Northwestern University toont aan dat schimmels dit mogelijk al miljoenen jaren doen.

Toen Nathan Gianneschi's laboratorium melanine ging synthetiseren dat zou lijken op wat werd gevormd door bepaalde schimmels waarvan bekend is dat ze ongebruikelijk zijn, vijandige omgevingen, waaronder ruimteschepen, vaatwassers en zelfs Tsjernobyl, ze hadden aanvankelijk niet verwacht dat de materialen zeer poreus zouden zijn - een eigenschap die het materiaal in staat stelt moleculen op te slaan en vast te leggen.

Melanine is gevonden in levende organismen, op onze huid en de achterkant van onze ogen, en als pigment voor veel dieren en planten. Het speelt ook een rol bij het beschermen van soorten tegen omgevingsstressoren. De strepen van zeeslangen met schildpadkop worden donkerder, bijvoorbeeld, in aanwezigheid van vervuild water; motten die in industriële gebieden leven, worden zwart omdat hun cellen gifstoffen in roet opnemen. De onderzoekers vroegen zich af of dit soort biomateriaal sponsachtiger gemaakt kan worden, deze eigenschappen te optimaliseren. En, beurtelings, of sponsachtige melanines al in de natuur bestonden.

"De functie van melanine is niet altijd volledig bekend en in alle gevallen "Gianneschi, de corresponderende auteur van het onderzoek, zei. "Het is zeker een radicale aaseter in de menselijke huid en beschermt tegen UV-schade. Nu, door synthese zijn we op dit opwindende materiaal uitgekomen dat heel goed in de natuur kan bestaan. Schimmels kunnen dit materiaal maken om hun cellen mechanische sterkte te geven, maar is poreus, voedingsstoffen doorlaten."

Het onderzoek wordt vrijdag gepubliceerd, 5 maart, in de Tijdschrift van de American Chemical Society .

Gianneschi is de Jacob en Rosaline Cohn hoogleraar scheikunde aan het Weinberg College of Arts and Sciences. Met benoemingen in de materiaalkunde en biomedische engineering afdelingen in de McCormick School of Engineering, Gianneschi is tevens associate director van het International Institute for Nanotechnology.

De mogelijkheid om dit materiaal in een laboratorium te maken, is om een ​​aantal redenen bemoedigend. In typische niet-poreuze materialen, deeltjes adsorberen slechts oppervlakkig aan het oppervlak. Maar poreuze materialen zoals allomelanine nemen ongewenste gifstoffen op en houden ze vast, terwijl ze goede dingen zoals lucht, water en voedingsstoffen door. Hierdoor kunnen fabrikanten ademende, beschermende coatings voor uniformen.

"Je bent altijd opgewonden als je iets ontdekt dat potentieel nuttig is, " zei Gianneschi. "Maar er is ook het intrigerende idee dat door dit te ontdekken, misschien bestaan ​​er al meer van dit soort materialen in de biologie. Er zijn niet veel voorbeelden waar chemische synthese tot een biologische ontdekking leidt. Meestal is het andersom."

Naneki McCallum, een afgestudeerde student-onderzoeker in het lab en eerste auteur op het papier, had gemerkt dat onder de juiste omstandigheden, melanine leek hol te zijn, of zou kunnen worden gemaakt om wat leek op holtes te bevatten door elektronenmicroscopie. Toen het team het synthetische materiaal tegenkwam, ze begonnen te experimenteren met porositeit en selectiviteit van de materialen voor het adsorberen van moleculen in die holtes.

In een sleuteldemonstratie het team, werken met onderzoekers van het Naval Research Laboratory, kon aantonen dat de nieuwe poreuze melanine zou fungeren als een beschermende coating, voorkomen dat simulanten van zenuwgas er doorheen komen. Geïnspireerd door dit resultaat, ze isoleerden vervolgens de natuurlijk voorkomende melanine uit schimmelcellen. Dit werd gedaan door biomateriaal van binnenuit weg te etsen, een schil achterlatend die melanine bevat. Ze noemen deze structuren "schimmelgeesten" voor de ongrijpbare, holle vorm's "Casper"-achtige kwaliteit. Het materiaal, afkomstig van schimmels kan ook, op hun beurt worden gebruikt als beschermlaag in stoffen. Opmerkelijk, het materiaal blijft ademend, water doorlaten, terwijl ze gifstoffen opsluiten.

Een ander voordeel van dit materiaal is de eenvoud, omdat het gemakkelijk kan worden geproduceerd en geschaald uit eenvoudige moleculaire voorlopers. In de toekomst, het kan worden gebruikt om beschermende maskers en gezichtsschermen te maken en heeft potentieel voor toepassingen in ruimtevluchten over lange afstanden. Door materialen in de ruimte te coaten, kunnen astronauten gifstoffen opslaan die ze uitademen, terwijl ze zichzelf beschermen tegen schadelijke straling. zorgen voor minder afval en gewicht.

Het is ook een stap in de richting van selectieve membranen, een zeer complex onderzoeksgebied dat tot doel heeft verbindingen zoals water te nemen en gezonde mineralen door te laten terwijl zware metalen zoals kwik worden geblokkeerd.

"Schimmels kunnen gedijen op plaatsen waar andere organismen worstelen, en ze hebben melanine om hen te helpen het te doen, "Zei McCallum. "Dus, wij vragen, wat zijn de eigenschappen die we kunnen benutten door dergelijke materialen in het laboratorium te recreëren?"

Het blad is getiteld, "Allomelanine:een biopolymeer van intrinsieke microporositeit."