Обратная и прямая инженерия бионанопокрытий

Название разработки

Обратная и прямая инженерия бионанопокрытий.

Назначение

Создание био-подобных экологических нанопокрытий на искусственных поверхностях различных типов и форм.

Описание, характеристики

Глаза многих насекомых покрыты прозрачным нанопокрытием c антибликовыми и антиадгезионными свойствами, снижающим до нуля долю отраженного света и обеспечивающим физическую защиту от мельчайших частиц пыли. Установлено, что этот защитный слой состоит из двух компонентов: белка ретинина и воска, которые самопроизвольно собираются в регулярные Тьюринговые структуры. Удалось наладить экономичное производство этих природных компонентов и технологию создания био-подобных экологических нанопокрытий на искусственных поверхностях различных типов и форм.

Искусственно пересобрать покрытие роговицы мушек дрозофил удалось с помощью методов обратной и прямой биоинженерии: сначала «разобрали» защитный слой роговицы на составляющие компоненты с использованием методов протеомики и генетики, а потом воспроизвели его в условиях комнатной температуры, покрыв им стекло и пластик. Механизм, который лежит в основе образования защитных наноструктур — самоорганизующийся процесс, описанный Аланом Тьюрингом еще в 1952 году как механизм реакции-диффузии, что удалось подтвердить с помощью математического моделирования. По такому же принципу формируются, например, пятна на шкуре зебры или леопарда. Наноструктуры, защищающие роговицу глаз насекомых, — это первый известный пример узоров Тьюринга в наномасштабе. В ходе исследования подробно изучены свойства ретинина. Оказалось, этот исходно неструктурированный белок образует глобулярную структуру при взаимодействии с восками. Таким образом, удалось заглянуть вглубь биофизического механизма самоорганизации, молекулярным спусковым элементом в которой выступает индукция структурирования белка.

В зависимости от задач, создаваемым по предлагаемой технологии нанопокрытиям можно придавать антибликовые, антибактериальные, гидрофобные и иные свойства. Созданная методика более выгодна в сравнении с существующими сегодня методами производства нано-структурированных поверхностей, благодаря использованию природных компонентов, без значительных энергозатрат и жестких ограничений, которые необходимы при химическом травлении, литографии или печати лазером. Сферы потенциального применения разработки могут быть самыми разными. Можно структурно окрашивать текстильные изделия, которые будут менять свой цвет в зависимости от угла зрения, создавать эффект «плаща-невидимки» для специальных сооружений и конструкций, антибактерильное покрытие для медицинских имплантов, самоочищающееся покрытие для контактных линз, экологическое антибликовое покрытие для оптических применений, и т.д. При дополнительном армировании нанопокрытия, на его основе можно получить прототипы гибких миниатюрных транзисторов для современной электроники или солнечных элементов.

Преимущества перед известными аналогами

Уменьшение энергетических затрат; отсутствие жестких ограничений, которые необходимы для производства нано-структурированных поверхностей  применяемыми в настоящее время методами (например, химическое травление, литография или печать лазером).

Область(и) применения

Медицина, оптика, электроника.

Правовая защита

Опубликована статья: «Reverse and forward engineering of Drosophila corneal nanocoatings» (2020)  NATURE, 585 (7825): 383-389.

Стадия готовности к практическому использованию

Стадия НИР, отработана технология создания био-подобных экологических нанопокрытий на искусственных поверхностях различных типов и форм.

Авторы

Kryuchkov M, Bilousov O, Lehmann J, Fiebig M, Katanaev V.L.