Идея создания селективно пористых материалов привлекала внимание химиков на протяжении десятилетий. Новое исследование Северо-Западного университета показывает, что грибы могли создавать такие материалы в течение миллионов лет.

Лаборатория Натана Джаннески намеревалась синтезировать меланин, который имитировал бы тот, который был образован некоторыми грибами, обитающих в необычных, враждебных средах, включая космические корабли, посудомоечные машины и даже Чернобыль. Но ученые изначально не ожидали, что меланин окажется очень пористым — свойство, которое позволяет создать материал для хранения и захвата молекул.

Меланин был обнаружен в живых организмах, на нашей коже и задней части глаз, а также в качестве пигментов у многих животных и растений. Он также играет роль в защите видов от факторов окружающей среды. Полосы морских змей с черепаховой головой темнеют, например, в присутствии загрязненной воды, а бабочки, живущие в промышленных зонах, становятся черными, поскольку их клетки поглощают токсины из сажи.

Исследователи задались вопросом, можно ли сделать этот тип биоматериала более похожим на губку, чтобы оптимизировать эти свойства, и существуют ли губчатые меланины уже в природе.

«Функция меланина не всегда и не во всех случаях полностью известна. Это определенно поглотитель радикалов в коже человека, и он же защищает от ультрафиолетового излучения. Теперь, благодаря синтезу, мы обнаружили этот захватывающий материал, который вполне может существовать в природе. Грибы могут создавать этот материал, чтобы придать своим клеткам механическую прочность, но он пористый, пропускающий питательные вещества», – Натан Джаннески, заместитель директора Международного института нанотехнологий.

Возможность создавать этот материал в лаборатории обнадеживает по ряду причин. В типичных непористых материалах частицы адсорбируются только поверхностно. Но пористые материалы, такие как алломеланин, впитывают и удерживают нежелательные токсины, пропуская полезные вещества — такие, как воздух, вода и питательные вещества. Это может позволить производителям создавать дышащие защитные покрытия для униформы.

При правильных условиях меланин выглядит пустотелым или может содержать то, что с помощью электронной микроскопии выглядит как пустоты. Когда команда наткнулась на синтетический материал, они начали экспериментировать с пористостью и селективностью материалов для адсорбции молекул в этих пустотах.

В ходе ключевой демонстрации команда смогла показать, что новый пористый меланин будет действовать как защитное покрытие, препятствуя проникновению имитаторов нервно-паралитического газа. Вдохновленные этим результатом, ученые затем выделили меланин природного происхождения из грибковых клеток.

Это было сделано путем вытравливания биоматериала изнутри, оставив оболочку, содержащую меланин. Затем они назвали эти структуры «грибными привидениями» из-за того, что неуловимая полая форма напоминает «Каспера» из одноименного мультфильма. Материал, полученный из грибов, также может использоваться в качестве защитного слоя в тканях. Примечательно, что материал остается воздухопроницаемым, пропускает воду и улавливает токсины.

Еще одним преимуществом этого материала является его простота, поскольку его легко производить и масштабировать из простых молекулярных предшественников. В будущем его можно будет использовать для изготовления защитных масок и лицевых щитков, и он может найти применение в космических полетах на большие расстояния. Материалы для покрытия в космосе позволят космонавтам накапливать токсины, которые они выдыхают, при этом защищая себя от вредного излучения, что снижает количество отходов и снижает вес.

Это также шаг к селективным мембранам, очень сложной области исследований, целью которой является получение таких соединений, как вода, и пропускание полезных минералов, блокирование тяжелых металлов, таких как ртуть.