Ögonen på många insekter, inklusive fruktflugan, är täckta av en tunn, transparent beläggning som består av små utsprång med antireflex, anti-vidhäftande egenskaper. En artikel publicerad i tidskriften Natur avslöjar hemligheterna bakom hur denna nanobeläggning är gjord.

Författarna, från universitetet i Genève (UNIGE) och universitetet i Lausanne (UNIL) – tillsammans med ETH Zürich (ETHZ) – visar att beläggningen bara består av två ingredienser:ett protein som kallas retinin och hornhinnevax. Dessa två komponenter genererar automatiskt det vanliga nätverket av utsprång genom att spela rollerna som aktivator och inhibitor, respektive, i en morfogenesprocess som modellerades på 1950-talet av Alan Turing. Det multidisciplinära teamet lyckades till och med artificiellt reproducera fenomenet genom att blanda retinin och vax på olika typer av ytor. Denna process, som är mycket billigt och är baserat på biologiskt nedbrytbara material, användes för att erhålla nanobeläggningar med en morfologi som liknar den hos insekter, med anti-vidhäftande och anti-reflekterande funktioner som kan ha många tillämpningar inom så olika områden som kontaktlinser, medicinska implantat och textilier.

"Nanobeläggningen som täcker ytan på ögonen på vissa insekter upptäcktes i slutet av 1960-talet hos nattfjärilar, säger Vladimir Katanaev, en professor vid institutionen för cellfysiologi och ämnesomsättning vid UNIGE:s medicinska fakultet och studiens ledande utredare. "Den består av ett tätt nätverk av små utsprång som är cirka 200 nanometer i diameter och flera dussintals nanometer på höjden. Det har effekten av att minska ljusreflektion."

Hornhinnan hos en insekt utan beläggning reflekterar vanligtvis cirka 4 % av det infallande ljuset, medan andelen sjunker till noll hos insekter som har täckning. Även om en förbättring på 4 % kan tyckas liten, det är nog en fördel – särskilt under mörka förhållanden – att ha valts ut under evolutionen. Tack vare dess anti-vidhäftande egenskaper, beläggningen ger också fysiskt skydd mot de minsta dammpartiklarna i luften.

Professor Katanaev flyttade in på detta forskningsfält för tio år sedan. Under 2011, han och hans team var de första som upptäckte nanobeläggningen på ögonen på fruktflugor (Drosophila melanogaster). Denna insekt är mycket mer lämpad för vetenskaplig forskning än nattfjärilar, i synnerhet eftersom dess genom har sekvenserats fullständigt.

Alan Turing:vägledande ljus

Baserat på deras preliminära resultat, 2015 föreslog professor Katanaev och hans kollegor att nanobeläggningen berodde på en morfogenesmekanism som den brittiske matematikern Alan Turing hade modellerat på 1950-talet. Denna modell hävdar att två molekyler organiseras automatiskt för att producera mönster i vanliga fläckar eller remsor. Den första fungerar som en aktivator, starta en process där ett speciellt mönster framträder och självförstärks. Men det stimulerar också den andra molekylen samtidigt, som fungerar som en inhibitor och sprids snabbare. Denna modell har gjort det möjligt att förklara naturfenomen i makroskopisk skala – som fläckarna på en leopard eller ränderna på en zebra – och i mikroskopisk skala men ännu aldrig på nanoskopisk skala.

Den Genève-baserade forskaren har nu samlat mer bevis för att stödja denna hypotes. Tack vare biokemiska analyser och användningen av genteknik, Professor Katanaev och hans kollegor har lyckats identifiera de två komponenterna som är involverade i reaktions-diffusionsmodellen utvecklad av Turing. Detta beror på ett protein som kallas retinin och vax som produceras av flera specialiserade enzymer, varav två har identifierats. Retinin spelar rollen som aktivator:med sin initialt ostrukturerade form, den antar en globulär struktur vid kontakt med vaxet och börjar generera mönstret. Vaxet, å andra sidan, spelar rollen som inhibitor. Kraftspelet mellan de två leder till uppkomsten av nanobeläggningen.

Konstgjord nanobeläggning

"Vi lyckades sedan producera retinin till mycket låg kostnad med hjälp av bakterier genetiskt modifierade för detta ändamål, " säger professor Katanaev. "Efter att ha renat den, vi blandade det med olika kommersiella vaxer på glas- och plastytor. Vi kunde sedan reproducera nanobeläggningen mycket enkelt. Den liknar till utseendet beläggningen som finns hos insekter och har antireflekterande och anti-vidhäftande egenskaper. Vi tror att vi kan deponera den här typen av nanobeläggning på nästan vilken typ av yta som helst, inklusive trä, papper, metall och plast."

Inledande tester har visat att beläggningen är resistent mot 20 timmars tvätt i vatten (den skadas lätt av rengöringsmedel eller repor, även om tekniska förbättringar kan göra den mer robust). De antireflekterande egenskaperna har redan väckt ett visst mått av intresse bland tillverkare av kontaktlinser, medan de anti-vidhäftande egenskaperna kan tilltala producenterna av medicinska implantat. Verkligen, denna typ av beläggning skulle kunna göra det möjligt att kontrollera var mänskliga celler hakar på. Industrin har redan den teknik som behövs för att uppnå detta resultat. Men de använder hårda metoder, såsom lasrar eller syror. Genève-teamets lösning har fördelen av att vara billig, godartad och helt biologiskt nedbrytbar.