Gekoní tlapky na molekulární úrovni – extrémní přilnavost k povrchům jim udílí nanometrová vrstva tuků

V rámci nejnovější studie se vědci na tyto výrůstky odborně zvané setae podívali v dosud největším detailu, a zjistili zajímavé informace. Setae mají asi desetkrát menší průměr než lidský vlas a jsou dále rozdělena na přibližně 400 až 1000 útvarů odborně zvaných spatulae (latinsky špachtle či stěrka – ty útvary na gekoních nohách skutečně připomínají). Výzkumníci zjistili, že gekoní setae jsou potaženy ultratenkým filmem molekul lipidů, jehož funkcí je odpuzování vody. Tento film dosahuje tloušťky pouhého jednoho nanometru, tj. miliardtinu metru.

Výzkumníci z Národního institutu pro standardy a technologie (NIST) analyzovali povrch setae pomocí vysokoenergetického rentgenového záření generovaného typem urychlovače částic zvaným synchrotron. Synchrotronový mikroskop ukázal, že lipidové molekuly lemují povrch setae v hustých, uspořádaných soustavách.

Lipidy jsou hydrofobní, což znamená, že odpuzují vodu. „Lipidy by mohly fungovat tak, že vytlačí veškerou vodu zpod spatulae, což umožní těsnější kontakt povrchu tlapky s povrchem,“ vysvětluje fyzik a vedoucí autor studie Tobias Weidner z Aarhus University v Dánsku. „To by mělo pomáhat gekonům udržet si svou přilnavost i k mokrému povrchu.“

Setae a spatulae jsou tvořeny typem keratinového proteinu podobného tomu, který se nachází v lidských vlasech a nehtech. Jsou extrémně jemné. Vědci ukázali, že keratinová vlákna jsou zarovnána ve směru setae, což jim může pomoci odolávat odření.

„Nejvíc vzrušující na tomto biologickém systému je pro mě to, že vše je dokonale optimalizováno v každém měřítku, od makro přes mikro až po molekulární úroveň,“ líčí biolog a spoluautor studie Stanislav Gorb z Kielské univerzity v Německu. „Závěry naší studie navíc mohou pomoci biomimetickým inženýrům v jejich budoucím výzkumu.“ Biomimetika je vědní obor, který se inspiruje zajímavými konstrukčními řešeními, jaké využívá příroda, a poznatky implementuje při vývoji nových technologií.

„Představte si třeba vozidlo, které může najíždět na stěny, nebo robota, který může běžet podél elektrického vedení a kontrolovat je, aniž by spadl,“ přirovnává fyzik a spoluautor studie Daniel Fischer z NIST.

Synchrotronový mikroskop NIST, který vědci použili k analýze setae, je jedinečný ve své schopnosti identifikovat molekuly na povrchu trojrozměrného objektu, měřit jejich orientaci a mapovat jejich polohu. Nachází se v Brookhaven National Laboratory amerického ministerstva energetiky. Mirkoskop využívá National Synchrotron Light Source II, půl míle dlouhý urychlovač částic, který poskytuje zdroj vysokoenergetického rentgenového záření pro ozáření vzorku.

Tento mikroskop se obvykle používá k pochopení fyziky pokročilých průmyslových materiálů, včetně baterií, polovodičů, solárních panelů a lékařských zařízení. Využití nachází ale i v biologii.

„To, že máme nyní detailnější pohled na fungování unikátní gekoní končetiny je fascinující,“ říká Fischer, „to však není všechno – můžeme se od přírody hodně naučit a znalosti využít pro zlepšování našich vlastních technologií.“

Mezinárodní tým výzkumníků zveřejnil výsledky v odborném časopise Biology Letters. Spjatý výzkum, který byl publikován o pár měsíců dříve v časopise Journal of Physical Chemistry Letters, za využití stejné techniky ukázal, jak jsou jednotlivé proteinové řetězce, které tvoří setae, zarovnány.

„Už se toho vědělo poměrně dost o tom, jak setae mechanicky fungují,“ popisuje fyzik a spoluautor Cherno Jaye z NIST. „Díky naší studii ale nyní lépe rozumíme tomu, jak fungují, pokud jde o jejich molekulární strukturu.“

Gekoni inspirovali mnoho produktů, včetně lepicích pásek s mikrostrukturami podobnými setae. Pochopení molekulárních rysů setae by mohlo vést k dalším ještě lepším a užitečnějším návrhům.

Setae poskytují přilnavost, protože jsou flexibilní a obkreslí mikroskopické obrysy jakéhokoli povrchu, po kterém gekon šplhá. Ještě menší struktury na koncích setae, spatulae, mají tak těsný kontakt s povrchem, že elektrony v obou materiálech interagují a vytvářejí typ slabých nevazebných interakcí nazývaných van der Waalsovy síly. Aby gekon mohl nohu opět uvolnit, musí změnit úhel setae, jaká s povrchem svírají, a tím přeruší tyto síly. Díky tomu pak gekon může nohu od povrchu odlepit a udělat další krok.

Originální publikace: Biology Letters (impact factor 3,8), Journal of Physical Chemistry Letters (impact factor 6,5)

Zdroj: Phys.org

Zdroj titulního obrázku: Leon Pauleikhoff, Unsplash

Více ze světa zvířat na CZECHSIGHT:

U albatrosů stoupá “rozvodovost” vlivem oteplování oceánů

Albatrosi jsou typičtí monogamní ptáci, nové partnery hledají pouze v případě zhoršených podmínek.

CZECHSIGHT - Vše o českém a zahraničním techuVeronika Zvolská

Složitost hadích jedů je dána fylogenetickou rozmanitostí jejich kořisti

Pestrost kořisti hadů z podčeledi chřestýšovití hraje roli v komplexitě složení jejich jedu. Nová studie ale ukazuje, že nezáleží na počtu druhů, kterými se had živí, ale na tom, jak je od sebe kořist vzdálená evolučně, fylogeneticky.

CZECHSIGHT - Vše o českém a zahraničním techuMichal Barták