Idén att skapa selektivt porösa material har fångat kemisters uppmärksamhet i årtionden. Nu, ny forskning från Northwestern University visar att svampar kan ha gjort exakt detta i miljontals år.

När Nathan Gianneschis labb satte sig för att syntetisera melanin som skulle efterlikna det som bildades av vissa svampar som är kända för att bo ovanliga, fientliga miljöer inklusive rymdskepp, diskmaskiner och till och med Tjernobyl, de förväntade sig från början inte att materialen skulle visa sig vara mycket porösa – en egenskap som gör att materialet kan lagra och fånga molekyler.

Melanin har hittats i levande organismer, på vår hud och på baksidan av våra ögon, och som pigment för många djur och växter. Det spelar också en roll för att skydda arter från miljöpåfrestningar. Sköldpaddshövdade havsormars ränder mörknar, till exempel, i närvaro av förorenat vatten; nattfjärilar som lever i industriområden blir svarta eftersom deras celler absorberar gifter i sot. Forskarna undrade om den här typen av biomaterial kunde göras mer svampliknande, för att optimera dessa egenskaper. Och, i tur och ordning, om svampliknande melaniner redan fanns i naturen.

"Melanins funktion är inte helt känd hela tiden och i alla fall, "Gianneschi, motsvarande författare på studien, sa. "Det är verkligen en radikal rensningsmedel i mänsklig hud och skyddar mot UV-skador. Nu, genom syntes har vi råkat ut för detta spännande material som mycket väl kan finnas i naturen. Svampar kan göra detta material för att ge mekanisk styrka till sina celler, men är porös, släpper igenom näringsämnen."

Studien publiceras på fredag, 5 mars, i Journal of the American Chemical Society .

Gianneschi är Jacob och Rosaline Cohns professor i kemi vid Weinberg College of Arts and Sciences. Med utnämningar inom materialvetenskap och biomedicinsk ingenjörsavdelning på McCormick School of Engineering, Gianneschi är också biträdande direktör för International Institute for Nanotechnology.

Möjligheten att skapa detta material i ett labb är uppmuntrande av ett antal anledningar. I typiska icke-porösa material, partiklar adsorberas endast ytligt på ytan. Men porösa material som allomelanin suger upp och håller oönskade gifter samtidigt som de låter bra saker som luft, vatten och näringsämnen genom. Detta kan göra det möjligt för tillverkare att skapa andningsbara, skyddande beläggningar för uniformer.

"Du blir alltid glad av att upptäcka något som är potentiellt användbart, ", sa Gianneschi. "Men det finns också den spännande idén att genom att upptäcka detta, kanske finns fler sådant här material redan inom biologin. Det finns inte många exempel där kemisk syntes leder till en biologisk upptäckt. Det är oftast tvärtom."

Naneki McCallum, en doktorandforskare i labbet och första författare på tidningen, hade märkt att under de rätta förhållandena, melanin verkade vara ihåligt, eller kan göras för att innehålla vad som såg ut som tomrum med elektronmikroskopi. När teamet kom över det syntetiska materialet, de började experimentera med porositet och selektivitet hos materialen för att adsorbera molekyler i dessa tomrum.

I en nyckeldemonstration, laget, arbeta med forskare vid Naval Research Laboratory, kunde visa att det nya porösa melaninet skulle fungera som en skyddande beläggning, förhindra att simulanter av nervgas kommer igenom. Inspirerad av detta resultat, de isolerade sedan naturligt förekommande melanin från svampceller. Detta gjordes genom att etsa bort biomaterial inifrån, lämnar ett skal som innehåller melanin. De kallar dessa strukturer "svampspöken" för de svårfångade, ihålig forms "Casper"-liknande kvalitet. Materialet, härrörande från svampar kan också, i sin tur användas som ett skyddande lager i tyger. Anmärkningsvärt, materialet förblir andningsbart, låta vatten passera, medan du fångar in gifter.

En annan fördel med detta material är dess enkelhet, eftersom det lätt kan produceras och skalas från enkla molekylära prekursorer. I framtiden, den kan användas för att tillverka skyddsmasker och ansiktsskydd och har potential för tillämpningar vid långdistansflygning. Beläggningsmaterial i rymden skulle tillåta astronauter att lagra gifter som de andas ut samtidigt som de skyddar sig mot skadlig strålning, vilket ger mindre avfall och vikt.

Det är också ett steg mot selektiva membran, ett mycket komplext studieområde som syftar till att ta föreningar som vatten och låta friska mineraler passera samtidigt som de blockerar tungmetaller som kvicksilver.

"Svampar kan frodas på platser där andra organismer kämpar, och de har melanin som hjälper dem att göra det, " sa McCallum. "Så, vi frågar, vilka egenskaper kan vi utnyttja genom att återskapa sådana material i labbet?"

Tidningen heter, "Allomelanin:En biopolymer av inneboende mikroporositet."