Verden er mættet med vandafvisende materialer fremstillet af fluorcarboner såsom polytetrafluorethylen, en undergruppe af kemiske fluor-stoffer som PFAS - også kendt som "evighedskemikalier". Det udgør en stadig voksende udfordring, at PFAS akkumuleres i miljøet og udgør en trussel mod sundheden. For at forsøge at løse dette, foreslår forskere en ny alternativ løsning: proteiner fundet i edderkoppesilke, der er i stand til at danne bemærkelsesværdigt vandafvisende film under specifikke betingelser. Denne opdagelse, udløst af såvel tilfældighed som luftfugtighed, kan potentielt erstatte konventionelle vandafvisende belægninger.
Fra din regnjakke til belægningen på piller. Vandafvisende film er overalt – men desværre er kemiske fluor-stoffer, måske bedre kendt som PFAS.
PFAS er menneskeskabte stoffer, der indeholder en usædvanlig stærk binding mellem kulstof og fluor. Da den binding ikke nedbrydes over tid, akkumuleres PFAS i miljøet med skadelige virkninger på menneskers og dyrs sundhed. PFAS er en potentiel kræftfremkaldende ifølge den amerikanske miljøbeskyttelsesmyndighed (EPA) og er blevet identificeret i drikkevand, jord og luft over hele verden – endda i blodet fra nyfødte babyer, hvilket antyder, at eksponeringen allerede begynder i livmoderen.
Med stigende pres for at udfase fluorcarboner vender forskere sig mod naturen efter alternativer. Forskning, offentliggjort i tidsskriftet Langmuir, præsenterer en ny lovende kandidat: proteiner fundet i edderkoppesilke danner en overraskende vandafvisende film under særlige betingelser.
Held og luftfugtighed
Det var virkelig en "tilfældig opdagelse", siger medforfatter Markus Linder, professor i biomolekylære materialer ved Aalto Universitet i Espoo, Finland.
Teemu Välisalmi, en ph.d.-studerende i Linders laboratorium og hovedforfatteren, arbejdede hårdt på et andet projekt – hvor han brugte forskellige typer af dyre- og menneskeproteiner til at bygge stilladser, som forskerne håbede kunne lette dyrkning af pattedyrsceller i laboratoriet.
En regnvejrsdag ændrede dog forløbet af hans forskning.
"Når du laver silkefilm ved lav luftfugtighed, bliver filmene altid "hydrofile" – glade for vand – hvilket betyder, at de let gennemvædes - og det er en attraktiv egenskab ved de her stilladser, at de kan opløses i vand. "Og så en dag regnede det, og luftfugtigheden steg til omkring 90%, og blev filmene hydrofobe" – hvilket betyder, at de i stedet frastøder vand, forklarer Välisalmi. Dette var fuldstændig uventet, understreger han.
Proteinet, der fangede Välisalmis opmærksomhed, var en modificeret version af det, der findes i silken fra den europæiske haveedderkop (Araneus disdematus), en almindelig edderkop fundet overalt i Europa og Nordamerika.
For at teste filmens egenskaber havde Välisalmi brug for dette biologisk producerede edderkoppesilkprotein i store mængder. Ved hjælp af indsprøjtning af RNA – der i bund og grund udgør samleinstruktioner for edderkoppesilkprotein – inde i Escherichia coli, narrede Välisalmi bakterierne til at opbygge det modificerede protein for ham.
Derefter opløste Välisalmi proteinet i en opløsning, inden han omhyggeligt dryppede en lille vandpyt på en glasplade. Når vandet fordamper, efterlades en film i pyttens fodspor.
Overraskende effektivt
Materialeforskere vurderede nu egenskaberne ved de vandafvisende film - efter hvor nemt de blev "våde"– den såkaldte kontaktvinkel. En måling af, hvor højt vand perler op fra overfladen af materialet.
Man kan sammenligne det lidt med, når vand spildes på et bord versus på en ands ryg. På andens meget hydrofobe - vandafvisende fjer - ender vandet højt op fra overfladen.
Til deres overraskelse havde de tørrede film af de små proteindråber, der var deponeret - som andefjer - også høje kontaktvinkler - på over 120 grader
"Kontaktvinklerne er virkelig meget høje," siger Linder. "Og de er højere end dem, folk tidligere har kunnet lave med protein."
Men hvad gør filmen så vandafvisende? "Proteinets struktur er nøglen," siger Linder. I sin naturlige tilstand består det af gentagne hydrofobe og hydrofile dele, hvilket skaber kugleformede områder – klumpede, sammenfoldede klumper af protein.
De kugleformede områder synes at være vigtige for filmens struktur. Uden dem sammenfiltres de midtersektioner som en høstak, mens "hvis der opstår en revne i de nye proteinfilm, holdes de sammen af små nano-størrelse fibre – hvilket tyder på, at der skal være en slags strukturel samling, for at de er stabile og vandafvisende", siger Välisalmi.
Ved at manipulere mængden af salt i opløsningen opdagede forskerholdet, at de også kunne ændre filmens hydrofobicitet. Forskerne teoretiserer, at "på en eller anden måde danner saltet en slags grund under silkeproteinet, og silkeproteins hydrofobe områder kommer til overfladen", forklarer Välisalmi.
Men ikke klar til markedet
Der er stadig lange vej, før biologiske skabte proteiner fra edderkoppesilke kan bruges som, overflade på en pille. "Denne undersøgelse gik ikke hele vejen med at lave en holdbar version, der faktisk kunne bruges i praksis", siger Linder. "Jeg tror, hvis vi var lykkedes med det, så havde vi ikke bare have offentliggjort det. Vi havde nok startet en virksomhed først," tilføjer han med et grin.
Proteinfilmen syntes at miste sin hydrofobicitet efter første kontakt med vand. Välisalmis dråber dannede perler med høj kontaktvinkel, som blev effektivt frastødt af filmen, mens dråben fordamper. Men selv med det blotte øje kunne han se en mørk omrids af, hvor dråben havde været. Den første kontakt med vand ændrede altså filmens egenskaber. Yderligere vanddråber i det påvirkede område havde ikke de samme høje kontaktvinkler.
Välisalmi mener, at "når disse film bliver våde, kommer saltet på en eller anden måde tilbage til overfladen, og det mister sin hydrofobicitet på grund af det", siger han. Efter den første fugtning falder saltgrunden fra hinanden.
At rette det vil være en udfordring, siger Linder. "De næste trin er svære."
Dette betyder, at det modificerede edderkoppesilkprotein ikke er et komplet gennembrud, men det er heller ikke en blindgyde, forklarer Linder. Det er en lovende ledetråd, der fortjener yderligere undersøgelse.
Selvom der er behov for flere undersøgelser for at fastslå, hvordan proteinets interne hydrofobe områder er struktureret, lærte holdet, at de amorfe kugleformede områder er en bioingeniørs legeplads.
"Uanset hvad vi sætter på enderne – uanset hvad deres funktion er", hjalp enhver form for kugleformet region med at danne filmens struktur, siger Linder. "Det gjorde bare håndteringen af dette silkeprotein lettere." Da de kugleformede områder kan laves af det materiale, som bioingeniørerne vælger, er dette en god mulighed for ændringer, der yderligere kan styrke filmens holdbarhed eller hydrofobicitet.
"Alt i alt viser denne forskning, at ved at studere biologiske molekyler er disse problemer i princippet mulige at løse", siger Linder. "At drage inspiration fra naturen er bestemt en mulig vej til bæredygtige løsninger."
