La diversità dei modelli nanostrutturali corneali tra i gruppi di artropodi:(AandB) nanostrutture corneali di tricotteri. Capezzoli uniti e sottodimensionati in una serie di capezzoli irregolari della famiglia Phryganeidae (A) e nanorivestimento labirintico della famiglia Limnephilidae (B). (C) Fili paralleli chiaramente espressi in un vero ragno. (D) Nanomodello con fossette di un auricolare (Dermaptera). (E) Capezzoli che si fondono in un labirinto sulla cornea di Stonefly (Plecotteri). (FandG) Fusione di singoli capezzoli ditteri in filamenti paralleli e labirinti:fusione completa dei capezzoli in filamenti e labirinti su tutta la superficie corneale nei Tabanidae (F); fusione parziale dei capezzoli al centro della cornea dei Tipulidae in sporgenze allungate e quindi fusione completa in una serie di filamenti paralleli vicino al bordo ommatidiale (G). (H) Fusione di singole tane e fossette in una struttura labirintica su calabrone (Apidae, Imenotteri) cornea. Tutte le dimensioni dell'immagine sono 5×5μm, tranne H, che è 3×3μm. L'altezza della superficie in nanometri è indicata dalla scala di colori mostrata accanto alle immagini 2D. Credito:Artem Blagodatsky et al
Nel 1952, il leggendario matematico e crittografo britannico Alan Turing ha proposto un modello che presuppone la formazione di schemi complessi attraverso l'interazione chimica di due reagenti diffondenti. Scienziati russi sono riusciti a dimostrare che i nanopattern della superficie corneale in 23 ordini di insetti si adattano perfettamente a questo modello.
Il loro lavoro è pubblicato nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .
Lo studio è stato condotto da un team che lavora presso l'Istituto di ricerca sulle proteine dell'Accademia delle scienze russa, (Pushchino, Russia) e il Dipartimento di Entomologia presso la Facoltà di Biologia dell'Università Statale di Mosca Lomonosov.
L'obiettivo iniziale dello studio era quello di caratterizzare l'antiriflesso, nanopattern tridimensionali che ricoprono la cornea dell'occhio degli insetti rispetto alla tassonomia degli insetti studiati e per approfondire il loro possibile percorso evolutivo.
Il risultato è stato sorprendente, poiché la morfologia del modello non era correlata alla posizione dell'insetto sull'albero evolutivo. Anziché, Scienziati russi hanno caratterizzato quattro principali nanopattern corneali morfologici, così come le forme di transizione tra di loro, onnipresente nella classe degli insetti. Un'altra scoperta è stata che tutte le possibili forme dei modelli corrispondevano direttamente alla serie di modelli previsti dal famoso modello di reazione-diffusione di Turing pubblicato nel 1952, che gli scienziati russi hanno confermato non solo attraverso la semplice osservazione, ma con modelli matematici, anche. Il modello presuppone la formazione di schemi complessi attraverso l'interazione chimica di due reagenti diffondenti.
Un'illustrazione della ricerca. Credito:Mikhail Kryuchkov
L'analisi è stata eseguita mediante microscopia a forza atomica con risoluzione fino a singoli nanometri. "Questo metodo ci ha permesso di espandere drasticamente i dati precedentemente disponibili, acquisita mediante microscopia elettronica a scansione; ha anche permesso di caratterizzare direttamente i modelli di superficie, non basato sull'analisi di repliche metalliche. Quando possibile, abbiamo sempre esaminato le cornee appartenenti a famiglie distinte di un ordine per ottenere informazioni sulla diversità del modello intra-ordine, " afferma il ricercatore Artem Blagodatskiy.
Il lavoro illumina i meccanismi alla base della formazione di nano-pattern biologici tridimensionali, dimostrando il primo esempio del modello reazione-diffusione di Turing che agisce nel bio-nanomondo.
interessante, il meccanismo di Turing nanopatterning è comune non solo per la classe degli insetti, ma anche per i ragni, scorpioni e millepiedi, in altre parole, sembra essere universale per gli artropodi. Grazie alle proprietà antiriflesso dei nanorivestimenti corneali degli insetti, i meccanismi rivelati stanno aprendo la strada alla progettazione di nanosuperfici artificiali antiriflesso.
"Un promettente sviluppo futuro del progetto è un'analisi genetica pianificata della formazione di nanopattern corneale sulla piattaforma del modello ben studiato di Drosophila melanogaster (moscerino della frutta). I moscerini della frutta di tipo selvatico possiedono un nanorivestimento di tipo capezzolo sugli occhi, dice Blagodatskiy.
Diverse combinazioni di proteine sovraespresse e sottoespresse note per essere responsabili dello sviluppo corneale in Drosophila possono alterare il pattern del capezzolo in un altro tipo di pattern, e quindi gettare luce sulla natura chimica dei composti che formano le strutture di tipo Turing sugli occhi degli insetti. La rivelazione di proteine e/o altri agenti responsabili della formazione di nanopattern potrebbe portare alla progettazione artificiale di nanorivestimenti con le proprietà desiderate. I ricercatori sperano anche di condurre un confronto delle caratteristiche antiriflesso di diversi tipi di nanorivestimenti caratterizzati.
