Pigmentet melanin skyddar mänsklig hud från skadligt UV-ljus (och ger oss en sommarbrun), och är en veritabel skattkammare för nya material och teknologier. Även om melanin förekommer naturligt, den komplexa biopolymeren kan endast tillverkas artificiellt i industriell skala genom dyra och komplexa processer, under vilken en del av föreningens egenskaper går förlorade. Hittills, processer för att extrahera naturligt melanin från mikroorganismer har låga skördar. Det är därför inte förvånande att melanin är många gånger dyrare än guld.

Empa-forskare har nu utvecklat en metod för att producera melanin i en enkel och mycket skalbar process. "Melanin är extremt stabilt när det utsätts för miljöpåverkan och är intressant inte bara som pigment, men också långt bortom för utvecklingen av innovativa kompositmaterial, " säger Empa-forskaren Francis Schwarze från Empas Cellulose &Wood Materials-labb.

I sin strävan efter enklare, billigare processer för produktion av naturligt melanin i stora mängder, Schwarze och hans team stötte på en vanlig saprofytisk svamp som växer i skogen:Armillaria cepistipes. Dess fantastiska ämnesomsättning gör det möjligt för svampen att binda tungmetaller, få trä att lysa i mörkret, och producera melanin i stor skala. "Vi har valt en lovande stam av A. cepistipes som gör att vi kan producera cirka 1, 000 gånger mer melanin än med andra svampar, " säger Schwarze. Tricket:A. cepistipes odlas i en näringsvätska, och i närvaro av en föregångare, tyrosin, släpper ut melanin i miljön. "På det här sättet, vi har utvecklat en hållbar produktionsmetod, som inte längre kräver tidskrävande extraktionssteg som används i tidigare mikrobiologiska processer, " förklarar Empa-forskaren. Om tre månader, A. cepitipes producerar cirka 20 gram melanin.

Den skalbara och hållbara produktionen av melanin gör det nu möjligt för Empa-forskare att främja projekt för att utveckla innovativa material för en rad industriella tillämpningar. Dessa inkluderar, till exempel, ett system för vattenrening:Eftersom melanin kan binda tungmetaller, det kan användas för att utveckla nya typer av vattenfilter. "Vi har integrerat melanin i konstgjorda polymerer som polyuretan, " förklarar Empa-forskaren Anh Tran-Ly. Med hjälp av elektrospinning, polymerblandningen spinnades till ultrafina fibrer för att bilda membran. Empa-teamet fann att dessa melaninbaserade kompositmembran kan ta bort upp till 94 % av blyet från förorenat vatten.

Lika svart som ebenholts

I naturen, svampar använder melanin för att skydda sig mot andra organismer som konkurrerar om näringsämnen och utrymme i miljön. Med den nya tekniken, pigmentet kan nu också användas för att skydda mycket större samhällen från mänsklig påverkan:Melanin kan användas för att bevara tropiska skogar där högt prissatt och eftertraktat ebenholts växer.

Tropiskt ebenholts trä är särskilt värdefullt på grund av sin unika mörka färg. En hållbar metod som uppgraderar inhemsk granskog till en visuellt likvärdig produkt skulle kunna bevara sårbara tropiska skogar. "När granved impregneras med en melaninsuspension, ett djup, mörkt trä kan tillverkas som är jämförbart med ebenholts, säger Empa-forskaren Tine Kalac.

Använder melanin för att bevara sällsynta musikinstrument

Eftersom Armillaria-svampar använder melanin som ett vapen mot konkurrenter, det är bara logiskt att använda melanin för att skydda trä från svamp. För att utveckla ett melaninbaserat träskyddsmedel, Empa-forskare deltar i ett nyligen lanserat tvärvetenskapligt projekt med stöd av Innosuisse, den schweiziska innovationsbyrån. Målet är att rekonstruera ett historiskt blåsinstrument, serpentinon (på engelska:small snake).

Tillsammans med University of Applied Sciences and Arts Northwestern Switzerland och Basel Historical Museum, industriell partner i projektet är företaget SBerger Serpents i Le Bois (JU), som ansvarar för det praktiska genomförandet av forskningsprojektet — rekonstruktionen av instrumentet. Företagets grundare Stephan Berger är entusiastisk över återfödelsen av detta sällsynta instrument:"Serpentinon användes för över 400 år sedan, och var gudfadern till moderna instrument som saxofon och tuba, " förklarar han. Även om det är en teknisk utmaning för musiker att bemästra instrumentet, ljudet är ojämförligt, säger Berger. "Serpentinon skapar ljud som är rika på övertoner och djupt berörande." Ursprungligen, blåsinstrumentet användes i kyrkor för att stödja sång eftersom det täcker den mänskliga röstens register och därmed kan "bära" en kör.

Även om dagens trend mot historiskt informerade föreställningar gör att serpentinon är mycket efterfrågad, Berger kan inte förse sina kunder med instrument:De märkligt böjda originalinstrumenten har blivit sällsynta. Eftersom det ormformade instrumentet, som är gjord av valnötsträ, skapar inte bara ett ojämförligt ljud, kondens från musikernas andetag skapar ett fuktigt mikroklimat som ger utmärkta förutsättningar för tillväxt av alla typer av mikroorganismer. Således, förutsättningarna för bakterier och svampar är gynnsamma för nedbrytningen av de hundra år gamla instrumenten, gradvis förstöra de sista originalexemplaren.

Forskningsprojektets trogna serpentino-kopior ska skyddas från denna skada. Det är här Empas melanin kommer in:"Om vi ​​kan använda ett melaninbaserat träskyddsmedel, inte bara de nybyggda serpentinos kan skyddas mot förfall, " säger Berger. Andra träblåsinstrument byggda idag med inhemska, mindre resistenta träslag skulle också kunna dra nytta av en sådan miljövänlig träbehandling. Således, samarbetet med Empa-teamet är spännande på mer än ett sätt.