Naturen är en utmärkt lärare – även för materialvetare. Forskare, inklusive forskare vid Max Planck Institute of Colloids and Interfaces, har nu observerat en anmärkningsvärd mekanism genom vilken polymermaterial bildas. För att fånga byten, sammetsmaskar skjuter ut ett klibbigt sekret som stelnar till starka trådar under inverkan av kraft. Det extraordinära med dessa trådar är att de kan lösas upp och sedan reformeras igen. Det faktum att reversibla polymerfibrer kan hämtas från den tidigare flytande sekretionen är ett mycket intressant koncept för forskare. Det är fullt möjligt att det en dag kommer att vara möjligt att syntetisera nya återvinningsbara material baserat på principen om sammetsmaskar.

Vissa djur producerar fantastiska material. Spindelsilke, till exempel, är starkare än stål. Musslor utsöndrar byssus trådar, som de använder för att hålla fast vid stenar under vatten. Materialet som utsöndras av sammetsmaskar är inte mindre imponerande. Dessa små maskliknande djur, som ser ut som en korsning mellan en daggmask och en larv, spraya en klibbig vätska för att avvärja fiender eller fånga byten som är särskilt dödliga för byten som t.ex. syrsor och spindlar:Så fort de försöker slingra sig ur de slemmiga trådarna, deras kamp gör att trådarna hårdnar, lämnar inget hopp om att fly.

"Skärkrafterna som genereras av bytens kamp gör att slemmet hårdnar till styva filament, " förklarar Alexander Bär, doktorand vid universitetet i Kassel, som studerar under sammetsmaskexperten Georg Mayer. För att undersöka slemmet från en australisk sammetsmaskart, biologen arbetade nära forskare från Max Planck Institute of Colloids and Interfaces i Potsdam. Kemisten Stephan Schmidt, till exempel, nu juniorprofessor vid Heinrich Heine-universitetet i Düsseldorf, hjälpte till att belysa slemmets nanostruktur. En forskargrupp ledd av biokemisten Matt Harrington vid avdelningen för biomaterial vid Potsdam-institutet fokuserade på andra frågor som rör den kemiska sammansättningen och molekylär bearbetning. Den tvärvetenskapliga gruppen av forskare var särskilt intresserade av hur sammansättningen och strukturen av sekretet förändras under trådbildningen.

Slemmig blandning av proteiner och fettsyror

"Vi visste redan att slemmet huvudsakligen består av stora proteinmolekyler och fettsyror, " säger Alexander Bär. På Max Planck-institutet i Potsdam, forskarna upptäckte att proteinerna och lipiderna kombineras för att bilda små kulor. "Sametsmaskar producerar protein- och fettmolekylerna samt andra komponenter separat", Bär förklarar. "Utanför körtelcellerna, nanoglobuli bildas sedan oberoende för att skapa de trådbildande och vidhäftande egenskaperna." Kulorna formas med anmärkningsvärd precision genom att de är enhetliga i form och alltid runt 75 nanometer i diameter.

Sammetsmaskar lagrar sitt flytande vapen tills det behövs. De skjuter sedan slemmet mot sitt byte eller fiende genom två munstycken på vardera sidan av huvudet med hjälp av muskelsammandragningar. "Först ändras inte den klibbiga konsistensen, säger Bär. så snart bytet börjar kämpa, skjuvkrafter verkar på slemmet för att spränga nanoglobuli." Vibrationsspektroskopistudier i Potsdam visade att proteiner och fettsyror separeras i processen. "Medan proteinerna bildar långa fibrer i slemmets inre, lipid- och vattenmolekylerna förskjuts utåt och bildar ett slags hölje, " förklarar Bär. Forskarna fann också att proteinsträngen inuti har en dragstyvhet som liknar den hos nylon. Detta förklarar filamentens anmärkningsvärda prestanda.

Polymeriserade trådar löses upp i vatten igen

Ytterligare experiment visade att de polymeriserade slemtrådarna kan lösas i vatten igen inom några timmar efter torkning. "Det häpnadsväckande för oss var att proteinerna och lipiderna uppenbarligen blandas igen för att bilda samma nanoglobuli som vi redan hade hittat i det ursprungliga slemmet, " säger Matt Harrington. De nybildade protein-lipidkulorna var till och med lika stora som de i den naturliga sekretionen. en mekanism för självorganisering är igång som vi ännu inte helt förstår, " säger Harrington.

En annan häpnadsväckande upptäckt var att klibbiga trådar kan dras igen från det återvunna slemmet. Och de betedde sig precis som nyutsöndrat sammetsmasksekret under påverkan av skjuvkrafter:de stelnade. "Detta är ett bra exempel på en helt reversibel och obestämd återupprepningsprocess, " säger Matt Harrington. Spännande, allt detta åstadkoms med biomolekyler och vid normala omgivande temperaturer. Sammetsmaskar skulle därför kunna tjäna som modell för tillverkare av syntetiska polymerer och kan tänkas lära dem mycket om hållbar produktion av syntetiska material.

Harrington håller med. Biokemisten kan mycket väl föreställa sig att vi en dag kommer att kunna syntetisera makromolekyler för industriella tillämpningar på liknande sätt baserat på förnybara råvaror. När det gäller spindelsilke, det har redan varit möjligt att tillverka analoga proteiner industriellt och att leverera de fibrer som produceras av dem till klädindustrin.

Hur separeras proteiner och lipidmolekyler?

En polymer som löser sig i vatten, som de stelnade trådarna av sammetsmaskar, skulle förmodligen vara opraktiskt. Men principen kan generera ny inspiration inom materialvetenskap, Matt Harrington tror. "Just nu, det första steget är att förstå mekanismerna bättre, säger biomaterialspecialisten, som nu påbörjat en professur vid McGill University i Montreal. Till exempel, forskarna är intresserade av varför mekaniska skjuvkrafter gör att proteinerna separeras från lipidmolekylerna i första hand. De vill också bestämma de faktorer som styr den reversibla bildningen av nanoglobuli av enhetlig storlek. En annan obesvarad fråga är hur proteinenheterna kombineras för att producera stela fibrer utan att bilda fasta kemiska bindningar, säger Max Planck-forskaren Harrington.