Het pigment melanine beschermt de menselijke huid tegen schadelijk UV-licht (en geeft ons een zomers kleurtje), en is een ware schatkamer voor nieuwe materialen en technologieën. Hoewel melanine van nature voorkomt, het complexe biopolymeer kan alleen kunstmatig op industriële schaal worden geproduceerd door middel van dure en complexe processen, waarbij sommige eigenschappen van de verbinding verloren gaan. Daten, processen voor het extraheren van natuurlijke melanine uit micro-organismen hebben lage opbrengsten. Het is dan ook niet verwonderlijk dat melanine vele malen duurder is dan goud.

Empa-onderzoekers hebben nu een methode ontwikkeld om melanine te produceren in een eenvoudig en zeer schaalbaar proces. "Melanine is extreem stabiel bij blootstelling aan omgevingsinvloeden en is niet alleen interessant als pigment, maar ook ver daarbuiten voor de ontwikkeling van innovatieve composietmaterialen, ", zegt Empa-onderzoeker Francis Schwarze van Empa's Cellulose &Wood Materials-lab.

In hun zoektocht naar eenvoudiger, goedkopere processen voor de productie van natuurlijke melanine in grote hoeveelheden, Schwarze en zijn team kwamen een veel voorkomende saprofytische schimmel tegen die in het bos groeit:Armillaria cepitipes. Zijn verbazingwekkende stofwisseling stelt de schimmel in staat om zware metalen te binden, laat hout gloeien in het donker, en op grote schaal melanine produceren. "We hebben een veelbelovende soort A. cepitipes geselecteerd waarmee we ongeveer 1 kunnen produceren. 000 keer meer melanine dan bij andere schimmels, " zegt Schwarze. De truc:A. cepitipes wordt gekweekt in een voedingsvloeistof, en in aanwezigheid van een voorloper, tyrosine, geeft melanine af aan het milieu. "Op deze manier, we hebben een duurzame productiemethode ontwikkeld, die niet langer tijdrovende extractiestappen vereist die in eerdere microbiologische processen werden gebruikt, " legt de Empa-onderzoeker uit. In drie maanden tijd A. cepitipes produceert ongeveer 20 gram melanine.

De schaalbare en duurzame productie van melanine stelt Empa-onderzoekers nu in staat projecten vooruit te helpen om innovatieve materialen te ontwikkelen voor een reeks industriële toepassingen. Waaronder, bijvoorbeeld, een systeem voor waterzuivering:aangezien melanine zware metalen kan binden, het kan worden gebruikt om nieuwe soorten waterfilters te ontwikkelen. "We hebben melanine geïntegreerd in kunstmatige polymeren zoals polyurethaan, " legt Empa-onderzoeker Anh Tran-Ly uit. Met behulp van elektrospinnen, het polymeermengsel werd tot ultrafijne vezels gesponnen om membranen te vormen. Het Empa-team ontdekte dat deze op melanine gebaseerde composietmembranen tot 94% van het lood uit vervuild water kunnen verwijderen.

Zo zwart als ebbenhout

In de natuur, schimmels gebruiken melanine om zichzelf te beschermen tegen andere organismen die strijden om voedingsstoffen en ruimte in de omgeving. Met de nieuwe technologie, het pigment kan nu ook worden gebruikt om veel grotere gemeenschappen te beschermen tegen menselijke invloeden:melanine kan worden gebruikt om tropische bossen te behouden waar duur en veelgevraagd ebbenhout groeit.

Tropisch ebbenhout is bijzonder kostbaar vanwege zijn unieke donkere kleur. Een duurzame methode die inheems fijnsparhout opwaardeert tot een visueel gelijkwaardig product, zou kwetsbare tropische bossen kunnen behouden. "Wanneer vurenhout wordt geïmpregneerd met een melaninesuspensie, een diep, donker hout kan worden geproduceerd dat vergelijkbaar is met ebbenhout, ", zegt Empa-onderzoeker Tine Kalac.

Melanine gebruiken om zeldzame muziekinstrumenten te bewaren

Omdat Armillaria-schimmels melanine gebruiken als wapen tegen concurrenten, het is niet meer dan logisch om melanine te gebruiken om hout te beschermen tegen schimmels. Om een ​​op melanine gebaseerd houtverduurzamingsmiddel te ontwikkelen, Empa-onderzoekers nemen deel aan een recent gelanceerd interdisciplinair project ondersteund door Innosuisse, het Zwitserse innovatiebureau. Het doel is om een ​​historisch blaasinstrument te reconstrueren, de serpentino (in het Engels:kleine slang).

Samen met de Hogeschool voor Toegepaste Wetenschappen en Kunsten Noordwest-Zwitserland en het Historisch Museum van Basel, de industriële partner in het project is het bedrijf SBerger Serpents in Le Bois (JU), die verantwoordelijk is voor de praktische uitvoering van het onderzoeksproject - de reconstructie van het instrument. Bedrijfsoprichter Stephan Berger is enthousiast over de wedergeboorte van dit zeldzame instrument:"De serpentino werd meer dan 400 jaar geleden gebruikt, en was de peetvader van moderne instrumenten zoals de saxofoon en de tuba, " legt hij uit. Hoewel het voor muzikanten een technische uitdaging is om het instrument onder de knie te krijgen, het geluid is onvergelijkbaar, zegt Berger. "De serpentino creëert klanken die rijk zijn aan boventonen en diep ontroerend." Oorspronkelijk, het blaasinstrument werd in kerken gebruikt om de zang te ondersteunen omdat het de registers van de menselijke stem afdekt en zo een koor kan "dragen".

Hoewel de trend van vandaag naar historisch geïnformeerde uitvoeringen betekent dat er veel vraag is naar de serpentino, Berger kan zijn klanten geen instrumenten leveren:de bijzonder gebogen originele instrumenten zijn zeldzaam geworden. Omdat het slangvormige instrument, die is gemaakt van walnotenhout, creëert niet alleen een onvergelijkbaar geluid, condensatie van de adem van de muzikanten creëert een vochtig microklimaat dat uitstekende omstandigheden biedt voor de groei van allerlei micro-organismen. Dus, de omstandigheden voor bacteriën en schimmels zijn gunstig voor de ontbinding van de eeuwenoude instrumenten, geleidelijk de laatste originele exemplaren vernietigen.

De getrouwe serpentino-replica's van het onderzoeksproject moeten tegen deze schade worden beschermd. Dit is waar de melanine van Empa om de hoek komt kijken:"Als we een op melanine gebaseerd houtverduurzamingsmiddel kunnen gebruiken, niet alleen de nieuw gebouwde serpentinos kunnen worden beschermd tegen verval, ", zegt Berger. Andere houtblazers die tegenwoordig worden gebouwd met behulp van huishoudelijke, ook minder resistente houtsoorten kunnen baat hebben bij een dergelijke milieuvriendelijke houtbehandeling. Dus, de samenwerking met het Empa-team is in meer dan één opzicht spannend.