De ogen van vele insecten, inclusief de fruitvlieg, zijn bedekt met een dunne, transparante coating bestaande uit kleine uitsteeksels met antireflectie, anti-klevende eigenschappen. Een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Natuur onthult de geheimen van hoe deze nano-coating wordt gemaakt.

De auteurs, van de Universiteit van Genève (UNIGE) en de Universiteit van Lausanne (UNIL) - samen met ETH Zürich (ETHZ) - laten zien dat de coating slechts uit twee ingrediënten bestaat:een eiwit genaamd retinine en hoornvlieswas. Deze twee componenten genereren automatisch het reguliere netwerk van uitsteeksels door de rollen van activator en remmer te spelen, respectievelijk, in een morfogeneseproces gemodelleerd in de jaren 1950 door Alan Turing. Het multidisciplinaire team slaagde er zelfs in om het fenomeen kunstmatig te reproduceren door retinine en was op verschillende soorten oppervlakken te mengen. Dit proces, die zeer goedkoop is en gebaseerd is op biologisch afbreekbare materialen, werd gebruikt om nano-coatings te verkrijgen met een morfologie vergelijkbaar met die van insecten, met antikleef- en antireflectiefuncties die tal van toepassingen kunnen hebben in uiteenlopende gebieden als contactlenzen, medische implantaten en textiel.

"De nano-coating die het oppervlak van de ogen van sommige insecten bedekt, werd eind jaren zestig ontdekt in motten, " zegt Vladimir Katanaev, een professor in de afdeling Celfysiologie en Metabolisme van UNIGE's Faculteit der Geneeskunde en de hoofdonderzoeker van de studie. "Het bestaat uit een dicht netwerk van kleine uitsteeksels van ongeveer 200 nanometer in diameter en enkele tientallen nanometers hoog. Het heeft als effect dat het de lichtreflectie vermindert."

Het hoornvlies van een insect zonder coating reflecteert typisch ongeveer 4% van het invallende licht, terwijl het aandeel tot nul daalt bij insecten die wel de bedekking hebben. Hoewel een verbetering van 4% misschien klein lijkt, het is een voordeel - vooral in donkere omstandigheden - om tijdens de evolutie te zijn geselecteerd. Dankzij de anti-adhesieve eigenschappen, de coating biedt ook fysieke bescherming tegen de kleinste stofdeeltjes in de lucht.

Professor Katanaev stapte tien jaar geleden in dit onderzoeksveld. In 2011, hij en zijn team waren de eersten die de nano-coating op de ogen van fruitvliegjes (Drosophila melanogaster) ontdekten. Dit insect is veel geschikter voor wetenschappelijk onderzoek dan motten, in het bijzonder omdat het genoom ervan volledig is gesequenced.

Alan Turing:leidend licht

Op basis van hun voorlopige resultaten, in 2015 suggereerden professor Katanaev en zijn collega's dat de nanocoating het resultaat was van een morfogenesemechanisme dat de Britse wiskundige Alan Turing in de jaren vijftig had gemodelleerd. Dit model stelt dat twee moleculen automatisch worden georganiseerd om patronen in regelmatige patches of strips te produceren. De eerste dient als activator, een proces starten waarin een speciaal patroon naar voren komt en zichzelf versterkt. Maar het stimuleert tegelijkertijd ook het tweede molecuul, dat werkt als een remmer en wordt sneller verspreid. Dit model heeft het mogelijk gemaakt om natuurverschijnselen te verklaren op macroscopische schaal - zoals de vlekken op een luipaard of de strepen op een zebra - en op microscopische schaal, maar nog nooit op nanoscopische schaal.

De in Genève gevestigde onderzoeker heeft nu meer bewijs verzameld om deze hypothese te ondersteunen. Dankzij biochemische analyses en het gebruik van genetische manipulatie, Professor Katanaev en zijn collega's zijn erin geslaagd de twee componenten te identificeren die betrokken zijn bij het door Turing ontwikkelde reactie-diffusiemodel. Dit hangt af van een eiwit genaamd retinine en was, geproduceerd door verschillende gespecialiseerde enzymen, waarvan er twee zijn geïdentificeerd. Retinine speelt de rol van activator:met zijn aanvankelijk ongestructureerde vorm, het neemt een bolvormige structuur aan bij contact met de was en begint het patroon te genereren. de was, anderzijds, speelt de rol van remmer. Het machtsspel tussen de twee leidt tot de opkomst van de nano-coating.

Kunstmatige nano-coating

"Vervolgens zijn we erin geslaagd om retinine te produceren tegen zeer lage kosten met behulp van genetisch gemodificeerde bacteriën voor dit doel, " zegt professor Katanaev. "Na het te hebben gezuiverd, we hebben het gemengd met verschillende commerciële wassen op glas en plastic oppervlakken. We waren toen in staat om de nano-coating heel gemakkelijk te reproduceren. Het lijkt qua uiterlijk op de coating van insecten en heeft antireflecterende en antikleefeigenschappen. We denken dat we dit type nanocoating op bijna elk soort oppervlak kunnen aanbrengen, inclusief hout, papier, metaal en kunststof."

Eerste tests hebben aangetoond dat de coating bestand is tegen 20 uur wassen in water (hij wordt gemakkelijk beschadigd door wasmiddel of krassen, hoewel technologische verbeteringen het robuuster zouden kunnen maken). De antireflecterende eigenschappen hebben al een zekere interesse gewekt bij fabrikanten van contactlenzen, terwijl de anti-adhesieve eigenschappen de producenten van medische implantaten zouden kunnen aanspreken. Inderdaad, dit type coating zou het mogelijk kunnen maken om te controleren waar menselijke cellen aanhaken. De industrie beschikt al over de technieken die nodig zijn om dit resultaat te bereiken. Maar ze gebruiken harde methoden, zoals lasers of zuren. De oplossing van het team van Genève heeft het voordeel dat ze goedkoop is, goedaardig en volledig biologisch afbreekbaar.