In 1952, de legendarische Britse wiskundige en cryptograaf Alan Turing stelde een model voor dat uitgaat van de vorming van complexe patronen door chemische interactie van twee diffunderende reagentia. Russische wetenschappers slaagden erin te bewijzen dat de nanopatronen van het hoornvliesoppervlak in 23 insectenorden volledig in dit model passen.

Hun werk is gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

De studie werd uitgevoerd door een team dat werkte in het Institute of Protein Research van de Russische Academie van Wetenschappen, (Pushchino, Rusland) en de afdeling Entomologie van de Faculteit Biologie van de Lomonosov Moscow State University.

Het oorspronkelijke doel van het onderzoek was het karakteriseren van de antireflecterende, driedimensionale nanopatronen die het ooghoornvlies van insecten bedekken met betrekking tot de taxonomie van bestudeerde insecten en om inzicht te krijgen in hun mogelijke evolutiepad.

Het resultaat was verrassend, omdat de patroonmorfologie niet correleerde met de positie van het insect op de evolutionaire boom. In plaats daarvan, Russische wetenschappers hebben vier belangrijke morfologische nanopatronen van het hoornvlies gekarakteriseerd, evenals overgangsvormen daartussen, alomtegenwoordig onder de insectenklasse. Een andere bevinding was dat alle mogelijke vormen van de patronen direct overeenkwamen met de reeks patronen voorspeld door het beroemde Turing-reactie-diffusiemodel dat in 1952 werd gepubliceerd, die de Russische wetenschappers niet alleen door observatie bevestigden, maar door wiskundige modellering, ook. Het model gaat uit van de vorming van complexe patronen door chemische interactie van twee diffunderende reagentia.

De analyse is uitgevoerd door middel van atoomkrachtmicroscopie met een resolutie tot enkele nanometers. "Deze methode stelde ons in staat om de eerder beschikbare gegevens drastisch uit te breiden, verkregen door middel van scanning elektronenmicroscopie; het maakte het ook mogelijk om oppervlaktepatronen direct te karakteriseren, niet gebaseerd op analyse van metalen replica's. Wanneer mogelijk, we hebben altijd cornea's onderzocht die tot verschillende families van één orde behoren om inzicht te krijgen in de patroondiversiteit binnen de orde, ", zegt onderzoeker Artem Blagodatskiy.

Het werk belicht de mechanismen die ten grondslag liggen aan de vorming van biologische driedimensionale nanopatronen, het demonstreren van het eerste voorbeeld van het Turing-reactie-diffusiemodel dat in de bio-nanowereld werkt.

interessant, het Turing-nanopatroonmechanisme is niet alleen gebruikelijk voor de insectenklasse, maar ook voor spinnen, schorpioenen en duizendpoten - met andere woorden, het lijkt universeel te zijn voor geleedpotigen. Vanwege de antireflecterende eigenschappen van nanocoatings op het hoornvlies van insecten, de onthulde mechanismen maken de weg vrij voor het ontwerp van kunstmatige antireflecterende nano-oppervlakken.

"Een veelbelovende toekomstige ontwikkeling van het project is een geplande genetische analyse van de vorming van nanopatronen in het hoornvlies op het platform van het goed bestudeerde Drosophila melanogaster (fruitvlieg) -model. De wildtype fruitvliegjes hebben een tepel-array-type nanocoating op hun ogen, zegt Blagodatskiy.

Verschillende combinaties van tot overexpressie gebrachte en tot onderexpressie gebrachte eiwitten waarvan bekend is dat ze verantwoordelijk zijn voor de ontwikkeling van het hoornvlies bij Drosophila, kunnen het tepelpatroon veranderen in een ander patroontype, en zo licht werpen op de chemische aard van de verbindingen die de Turing-type structuren vormen op insectenogen. Het onthullen van eiwitten en/of andere middelen die verantwoordelijk zijn voor de vorming van nanopatronen kunnen leiden tot een kunstmatig ontwerp van nanocoatings met gewenste eigenschappen. De onderzoekers hopen ook een vergelijking te kunnen maken van antireflectiekenmerken van verschillende soorten gekarakteriseerde nanocoatings.