第一作者：Mikhail Kryuchkov
通訊作者：Vladimir L. Katanaev
通訊單位：日內(nèi)瓦大學(xué)
本文亮點(diǎn)：
1. 揭示了蛋白質(zhì)視黃素和角膜蠟是決定果蠅角膜圖靈納米圖案涂層的兩個(gè)關(guān)鍵因素。
2. 實(shí)現(xiàn)了高性能仿生人工納米涂層的低成本制造。
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人工納米涂層的技術(shù)應(yīng)用廣泛，在能源，電子，汽車，船舶，航空航天和醫(yī)療設(shè)備行業(yè)都備受親睞。據(jù)粗略估計(jì)，具有納米結(jié)構(gòu)表面的材料在全球市場(chǎng)的利潤(rùn)到2027年將達(dá)到142億美元，超過千億元人民幣。
傳統(tǒng)的人工納米涂層的生產(chǎn)并不環(huán)保，天然可生物降解材料的使用為當(dāng)前的工業(yè)微結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)方法提供了環(huán)保的替代方案，但是還存在諸多問題懸而未決。
學(xué)習(xí)自然
1953年，計(jì)算機(jī)科學(xué)之父、人工智能之父阿蘭?圖靈(Alan Turing，1912—1954)提出了一種構(gòu)圖原理：反應(yīng)-擴(kuò)散模型（Reaction-Diffusion Model）。
RD模型的基本思想認(rèn)為，元素的相互作用會(huì)導(dǎo)致自發(fā)形成圖案，其革命性的核心在于引入了“反應(yīng)”。
圖1. 梯度模型和圖靈RD模型的對(duì)比
模型指出，如果兩種元素僅僅是發(fā)生擴(kuò)散作用，則系統(tǒng)工無法實(shí)現(xiàn)自我調(diào)節(jié)。如果兩種元素不僅可擴(kuò)散，而且彼此之間能發(fā)生相互作用，系統(tǒng)就能進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，并自動(dòng)生成空間圖案。廣泛的生理現(xiàn)象，就是由復(fù)雜的細(xì)胞或分子相互作用網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)的。
不幸的是，在這篇開創(chuàng)性的論文發(fā)表后不久，年僅42歲的圖靈就去世了，但是該模型的核心思想?yún)s一直被應(yīng)用至今。
自然界是一個(gè)神奇的地方，各種生物的納米涂層為它們帶來了各種各樣的功能。而人類第一次在自然界發(fā)現(xiàn)圖靈納米圖案，是在昆蟲角膜中，這些納米涂層使昆蟲的具有獨(dú)特的光學(xué)和表面功能，讓科學(xué)家深為折服。
自從2015年在果蠅角膜中發(fā)現(xiàn)圖靈納米涂層以來，日內(nèi)瓦大學(xué)Vladimir L. Katanaev團(tuán)隊(duì)就為之所吸引，并展開了更為深入的研究。近日，他們?cè)贜ature報(bào)道了他們最新的研究進(jìn)展。
圖靈模型主要涉及活化劑和抑制劑這兩個(gè)關(guān)鍵因素之間的相互作用。
為了弄清楚圖靈納米圖案形成的機(jī)理，研究團(tuán)隊(duì)以具有完全序列化基因組的昆蟲-果蠅（Drosophila melanogaster）和其他13種果蠅（Drosophila）為研究對(duì)象， 發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)視黃素和角膜蠟是決定這些昆蟲角膜納米結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵元素，視黃素和角膜蠟也非常符合圖靈的活化劑和抑制劑的特征。
圖2. 果蠅角膜納米涂層的基本結(jié)構(gòu)
模仿自然
在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種低成本的視黃素生產(chǎn)方法，并將其與蠟混合，成功地在人造表面上實(shí)現(xiàn)了類似昆蟲的圖靈納米涂層。通過改變視黃素和蠟的成分，比例以及覆蓋表面，再進(jìn)行多層化結(jié)合，可生成具有多種特性的通用型，穩(wěn)定、環(huán)保的表面納米圖案，可以經(jīng)受長(zhǎng)時(shí)間的高強(qiáng)度的洗滌而不會(huì)被破壞。作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)，單獨(dú)的視黃素，單獨(dú)的蠟或?qū)φ盏鞍踪|(zhì)混合物所構(gòu)建的納米涂層效率低下。
圖3. 人工納米涂層的基本結(jié)構(gòu)
通過調(diào)控參數(shù)，研究團(tuán)隊(duì)獲得了多種不同圖案的圖靈納米涂層，包括帶有小突起的圖案，帶有凹槽的圖案，以及迷宮狀的圖案等等。不同的圖案具有不同的功能，研究人員主要考察了抗反射性（增加透光率）和抗粘著性（疏水性）兩方面的性能。
他們發(fā)現(xiàn)，有些納米涂層可將玻璃在可見光譜范圍內(nèi)的光反射率減半。而有些納米涂層可以實(shí)現(xiàn)從疏水性到親水性的調(diào)控。
展望未來，超越自然？
仿生材料的核心，在于發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律。正所謂有所發(fā)現(xiàn)，有所發(fā)明，有所創(chuàng)造。這項(xiàng)研究工作實(shí)現(xiàn)了如何模仿自然界構(gòu)造多功能人工納米涂層，是基礎(chǔ)研究到用研究甚至技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)范例，也是數(shù)學(xué)模擬，系統(tǒng)發(fā)育，遺傳學(xué)，生物化學(xué)多學(xué)科交叉研究的一個(gè)典范。
然而，大自然造物神奇，要想超越自然，還有更長(zhǎng)的路要走，至少還有以下幾個(gè)方面需要突破：
1）人工構(gòu)建的圖靈納米涂層，能夠?qū)崿F(xiàn)果蠅角膜中的圖案有序化嗎？
2）人工構(gòu)建的圖靈納米涂層，真的適合大規(guī)模生產(chǎn)以取代現(xiàn)有的不環(huán)保的生產(chǎn)工藝嗎？
3）如何在果蠅納米涂層的基礎(chǔ)上進(jìn)行更多的改造，實(shí)現(xiàn)果蠅角膜所不具備的更多新功能？
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參考文獻(xiàn)：
Mikhail Kryuchkov et al. Reverse andforward engineering of Drosophila corneal nanocoatings. Nature 2020, 585,383–389.
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2707-9
