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合成黑色素的新形式：“真菌鬼”可保护皮肤，织物免受毒素和辐射的伤害

时间：2022-06-19 08:25:03 来源：

真菌鬼影是通过蚀刻真菌细胞中的生物材料而产生的。

在真菌的启发下，新形式的合成黑色素可作为天然排毒剂。

数十年来，产生选择性多孔材料的想法已引起化学家的关注。现在，西北大学的最新研究表明，真菌可能已经做到了数百万年。

当内森·吉安纳斯基（Nathan Gianneschi）的实验室着手合成黑色素时，黑色素将模仿某些已知栖息于不寻常，敌对环境中的真菌（包括宇宙飞船，洗碗机甚至切尔诺贝利）形成的黑色素，他们最初并不认为这种材料会被证明具有高度的多孔性。使材料能够存储和捕获分子。

黑色素已被发现存在于各种生物中，包括在我们的皮肤和眼睛的背面，以及许多动物和植物的色素。它还在保护物种免受环境压力的作用中。龟头海蛇的条纹变暗，例如在有污水的情况下；生活在工业区的飞蛾会因其细胞吸收烟灰中的毒素而变黑。研究人员想知道是否可以将这种生物材料制成更像海绵的形式，以优化这些特性。而且，自然界中是否已经存在海绵状黑色素。

该研究的通讯作者吉安斯基说：“黑色素的功能并非一直都被完全了解。”“它肯定是人类皮肤中的一种自由基清除剂，可以防止紫外线的伤害。现在，通过合成，我们发现了这种令人兴奋的材料，它很可能存在于自然界中。真菌可以使这种材料增加其细胞的机械强度，但它是多孔的，可以吸收营养。”

该研究报告将于2021年3月5日（星期五）发表在《美国化学学会杂志》上。

Gianneschi是温伯格文理学院的Jacob and Rosaline Cohn化学教授。Gianneschi曾在McCormick工学院的材料科学和生物医学工程系任职，同时还是国际纳米技术研究所的副所长。

出于多种原因，在实验室中创建这种材料的能力令人鼓舞。在典型的无孔材料中，颗粒仅在表面上吸附。但是多孔材料（如Allomelanin）会吸收并保留有害的毒素，同时让诸如空气，水和营养物质之类的好物质通过。这可以使制造商制造出透气的，用于制服的保护性涂层。

Gianneschi说：“发现潜在有用的东西总是让您感到兴奋。”“但是，还有一个有趣的想法，就是通过发现这一点，生物学中可能已经存在更多类似的材料。化学合成导致生物学发现的例子不多。通常情况恰恰相反。”

实验室的研究生研究员，论文的第一作者纳尼基·麦卡勒姆（Naneki McCallum）注意到，在适当的条件下，黑色素似乎是空心的，或者可以通过电子显微镜制成黑色素。当研究小组遇到合成材料时，他们开始进行材料的孔隙率和选择性实验，以吸附这些空隙中的分子。

在一个关键的演示中，该团队与海军研究实验室的研究人员合作，证明了这种新型的多孔黑色素将起到保护涂层的作用，从而防止模拟神经气体通过。受此结果启发，他们从真菌细胞中分离出天然存在的黑色素。这是通过从内部蚀刻掉生物材料而完成的，剩下一个含有黑色素的壳。他们将这些结构称为“真菌鬼魂”，以达到难以捉摸的空心形状像“卡斯普尔”般的品质。来源于真菌的材料也可以用作织物的保护层。显着地，该材料保持透气，允许水通过，同时捕获毒素。

这种材料的另一个好处是它的简单性，因为它很容易从简单的分子前体生产并按比例缩放。将来，它可用于制造防护口罩和面罩，并有可能在长距离太空飞行中应用。太空中的涂层材料将使宇航员可以储存他们呼吸的毒素，同时保护自己免受有害辐射的侵害，从而减少浪费和减轻重量。

这也是朝着选择性膜迈出的一步，选择性膜是一个非常复杂的研究领域，旨在吸收诸如水的化合物并允许健康的矿物质通过，同时阻止汞等重金属。

麦卡勒姆说：“真菌可以在其他生物挣扎的地方繁衍生息，他们拥有黑色素来帮助他们做到这一点。”“因此，我们问，通过在实验室中重新创建此类材料，我们可以利用哪些属性？”

参考：“ Allomelanin：固有微孔性的生物聚合物”，2021年3月5日，美国化学学会杂志。

MURI通过空军科学研究所（AFOSR FA9550-18-1-0142）和美国国防部减少威胁局（HDTRA1-19-19-1-0010）支持了该研究。


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