转自 Guo Cellulose
许多昆虫能在夜间飞行自如，它们的眼睛都被一层薄而透明的涂层覆盖。该涂层由微小的突起组成，具有减少光反射的作用，从而使昆虫能在黑暗条件下捕捉到微弱的光。这是由于角膜表面上的纳米结构在空气的折射率与涂层的折射率之间形成了折射率梯度。此外，该涂层还具备出色的抗粘性能，能为昆虫的眼睛提供物理保护，以防止空气中微小的灰尘颗粒。然而，想人工实现这样的涂层则相当困难。当前的表面纳米成像技术只能产生有限的图案，而在节肢动物中，角膜纳米涂层的形态非常多样，其微凸状结构可以组织成阵列或脊状等结构。最关键的是，这种仿生涂层的形成机理尚不明确。
瑞士日内瓦大学Vladimir L. Katanaev团队取得一项新突破。他们的这项研究提出果蝇角膜纳米涂层的逆向和正向工程。研究成果于2020年发表在《自然》期刊上。他们证明了果蝇角膜上纳米涂层的形态和功能之间的明确联系。他们发现，由单个突起组成的纳米涂层具有更好的抗反射性能，而部分合并的结构则具有更好的抗粘附性能。他们使用生化分析和基因修饰技术对蛋白质视黄素和角膜蜡进行逆向加工，作为纳米结构的基础。在图灵模式的背景下，这些构建基块分别履行激活剂和抑制剂的作用。然后，他们建立低成本的视黄素生产，并将这种合成蛋白与蜡混合，以对各种具有昆虫样形态、抗粘连或抗反射功能的人造纳米涂层进行前瞻性设计。因此，他们结合的反向工程和正向工程方法提供了一种从可生物降解的材料，经济地生产功能纳米结构涂层的方法。
1、昆虫角膜中的图灵纳米图案
研究发现，果蝇角膜的纳米涂层主要表现出两种类型的图案化结构。一种是具有单个突起结构的纳米涂层（1型），表现出更好的抗反射性能，而另外一种是具有部分合并脊状结构的纳米涂层（2型），则表现出更好的抗粘附性能。
图1. a，果蝇角膜纳米涂层的结构，功能和组成。b，果蝇属的两种类型的角膜纳米涂层1型和2型。c，2型和1型角膜的反射光谱比率。d，不同角膜的粘附力测量。e，角膜特异性蛋白质条带：星号表示维甲酸。f，不同果蝇物种角膜中的视黄蛋白含量与从1型纳米结构（绿色）到2型纳米结构（蓝色）的转变相关。
2、果蝇中的图灵抑制剂是蜡
为了进一步研究图案化形成的成分作用，研究人员通过生化分析和基因修饰技术，发现了蛋白质视黄素和角膜蜡是决定果蝇角膜纳米结构的关键元素；当调控二者的不同配比时，角膜涂层会表现出不一样的图案化形态和功能。
图2. a，对照和视黄蛋白敲除角膜的代表性AFM图像。比例尺，1μm。b，野生型、视黄蛋白敲低、Crys 敲低和 Cpr72Ec 敲低基因型的纳米结构高度的定量。c，左图，黑腹果蝇下调视黄素（敲除）和过表达 CG5326 的代表性角膜纳米涂层;可见降解的小。右图，视黄蛋白的过表达和 CG5326 的下调（敲低）导致明显的到嵴的转变。d，降解角膜（视黄素敲低结合 CG5326 过表达）、野生型黑腹果蝇角膜（1 型纳米结构）和具有合并结构的角膜（视黄素过表达结合 CG5326 敲低；2 型纳米结构）的粘附力测量。e，从相同三种黑腹果蝇基因型的角膜测量的反射光谱比率。
3、蜡诱导视网膜蛋白折叠
视黄蛋白和蜡脂是共同调节果蝇角膜纳米结构形成和类型的两种成分。在基因操作中看到的相互作用对应于如果视黄素是图灵激活剂，而蜡是抑制剂的预期结果。图灵模型还预测了两种形态发生素之间的物理相互作用。为了评估这种可能性，从细菌中建立了稳健生产的低成本重组视黄素。
图3. a，重组Retinin与蜡的直接相互作用，通过脂质条测定显示。b，在浮选测定中，仅在添加羊毛脂后在顶部组分中发现视网膜蛋白。c，视黄素与不同浓度羊毛脂蜡乳液的复配物的远紫外圆二色光谱。d，各种蛋白质（视黄蛋白、BSA 或 Dhit）混合物和不同浓度的羊毛脂乳剂的 ThT 荧光。e，根据 I-TASSER 预测的视黄结构，与蜡相互作用诱导的视黄结构可能发生的变化图；颜色渐变表示多肽链从N（紫色）到C（红色）末端的方向。
4、仿生纳米涂层的工程设计
用重组视黄素和商业蜡创建了纳米结构。这种人工重建的方式定性地证实了构建块的身份及其交互模式。两种组分混合物的纳米结构有效地涂覆在玻璃表面，而单独使用视黄素、单独使用蜡或对照蛋白质混合物则效率低下。最终获得的仿生纳米涂层性质稳定，经得起密集和长时间的清洗。
图4. a，在玻璃上形成的纳米涂层的AFM图像，用视黄蛋白和羊毛脂的不同混合物。b，具有状（视黄蛋白与羊毛脂比为4：16）和迷宫型（5：15比例）结构的人工纳米涂层的透射光谱，揭示了与玻璃（灰色痕迹）相比的改进。c，纳米涂层的粘附力测量。d，不同纳米结构的代表性AFM图像。e，透射光谱。f，玻璃和通过方案3和4获得的纳米涂层的接触角。
本工作证明了果蝇角膜上纳米涂层的形态和功能之间的明确联系。由单个突起组成的纳米涂层具有更好的抗反射性能，而部分合并的结构具有更好的抗粘附性能。使用生化分析和基因修饰技术对蛋白质视黄素和角膜蜡进行逆向工程，作为纳米结构的组成部分。在图灵模式的背景下，这些构建块分别扮演激活剂和抑制剂的角色。最后，人工建立了低成本的视黄素生产，并将这种合成蛋白质与蜡混合，以正向设计各种具有昆虫状形态和抗粘附或抗反射功能的人工纳米涂层。因此，通过逆向和正向工程相结合的方法提供了一种从可生物降解材料经济地生产功能性纳米结构涂层的方法。
首次证明了果蝇角膜上纳米涂层的形态和功能之间的明确联系；通过生化分析和基因修饰技术对蛋白质视黄素和角膜蜡进行逆向加工，作为纳米结构的基础；确认了在图灵模式的背景下，这些构建基块分别履行激活剂和抑制剂的作用；通过人工合成低成本的视黄素与蜡混合，开发了具有昆虫样形态、抗粘连或抗反射功能的人造纳米涂层的前瞻性设计。
这项工作为我们展示了仿生材料的核心在于发现自然规律，展示了如何模仿自然界来构造多功能人工纳米涂层，这是基础研究到技术应用的一个范例。
https://doi.org/10.1038/s41586-020-2707-9
