1952, den legendariske brittiske matematikern och kryptografen Alan Turing föreslog en modell som utgår från bildandet av komplexa mönster genom kemisk interaktion mellan två diffuserande reagenser. Ryska forskare lyckades bevisa att hornhinnans ytnanomönster i 23 insektsordningar helt passar in i denna modell.

Deras arbete publiceras i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Studien utfördes av ett team som arbetar vid Institutet för proteinforskning vid den ryska vetenskapsakademin, (Pushchino, Ryssland) och institutionen för entomologi vid biologiska fakulteten vid Lomonosov Moscow State University.

Det ursprungliga målet med studien var att karakterisera den antireflekterande, tredimensionella nanomönster som täcker insektsögonhornhinnan med avseende på taxonomin för studerade insekter och för att få insikt i deras möjliga utvecklingsväg.

Resultatet var överraskande, eftersom mönstermorfologin inte korrelerade med insektsposition på det evolutionära trädet. Istället, Ryska forskare har karakteriserat fyra huvudsakliga morfologiska nanomönster på hornhinnan, såväl som övergångsformer mellan dem, allestädes närvarande bland insektsklassen. Ett annat fynd var att alla möjliga former av mönstren direkt matchade den mängd mönster som förutspåddes av den berömda Turing-reaktions-diffusionsmodellen som publicerades 1952, vilket de ryska forskarna bekräftade inte bara genom blotta observationer, men genom matematisk modellering, också. Modellen antar bildning av komplexa mönster genom kemisk interaktion mellan två diffuserande reagenser.

Analysen har utförts med hjälp av atomkraftsmikroskopi med upplösning upp till enstaka nanometer. "Denna metod gjorde det möjligt för oss att drastiskt utöka de tidigare tillgängliga data, förvärvad genom svepelektronmikroskopi; det gjorde det också möjligt att karakterisera ytmönster direkt, inte baserat på analys av metallkopior. När det är möjligt, vi undersökte alltid hornhinnor som tillhör distinkta familjer av en ordning för att få insikt i mönstermångfald inom ordningen, " säger forskaren Artem Blagodatskiy.

Arbetet belyser de mekanismer som ligger bakom bildandet av biologiska tredimensionella nanomönster, demonstrerar det första exemplet på Turings reaktion-diffusionsmodell som verkar i bio-nanovärlden.

Intressant, Turings nanomönstermekanism är vanlig inte bara för insektsklassen, men också för spindlar, skorpioner och tusenfotingar – med andra ord, det verkar vara universellt för leddjur. På grund av de antireflekterande egenskaperna hos nanobeläggningar på hornhinnan hos insekter, de avslöjade mekanismerna banar väg för design av konstgjorda antireflekterande nanoytor.

"En lovande framtida utveckling av projektet är en planerad genetisk analys av bildandet av nanomönster på hornhinnan på plattformen för den välstuderade modellen Drosophila melanogaster (fruktfluga). Fruktflugorna av vildtyp har en nanobeläggning av bröstvårtor på ögonen, säger Blagodatskiy.

Olika kombinationer av överuttryckta och underuttryckta proteiner som är kända för att vara ansvariga för hornhinneutvecklingen i Drosophila kan ändra bröstvårtsmönstret till en annan mönstertyp, och därmed belysa den kemiska naturen hos föreningarna som bildar strukturerna av Turing-typ på insektsögon. Att avslöja proteiner och/eller andra medel som är ansvariga för bildandet av nanomönster kan leda till artificiell design av nanobeläggningar med önskade egenskaper. Forskarna hoppas också kunna göra en jämförelse av antireflekterande egenskaper hos olika typer av karakteriserade nanobeläggningar.