Monilla kalmarilajeilla on terävät hampaat. Ne eivät vain ole siellä, mistä niitä odottaisi löytyvän. Jokainen kalmarin lonkeroita pitkin kulkeva imukappale kätkee sisäänsä hammasrenkaan. Nämä hampaat estävät eläimen saalista uimasta pois. Ne ovat myös muutakin kuin pelkkä kuriositeetti. Tutkijat haluavat luoda kalmarin inspiroimia materiaaleja, jotka ovat yhtä vahvoja kuin nämä piikit. Uudesta tutkimuksesta saadut tiedot voivat auttaa heitä siinä.
Ennen kuin he saattoivat alkaa suunnitella uusia materiaaleja, tutkijoiden oli ymmärrettävä, mikä tekee kalmarin hampaista niin vahvat. Jotkut ovat aloittaneet tällaisen työn keskittymällä suuriin molekyyleihin – suckeriiniproteiineihin – joista hampaat koostuvat.
Opettajat ja vanhemmat, ilmoittautukaa Cheat Sheetille
Viikoittaiset päivitykset, jotka auttavat teitä käyttämään Science News for Students -tiedelehteä oppimisympäristössä
Akshita Kumar on jatko-opiskelijana Singaporessa sijaitsevassa Nanyangin teknillisessä yliopistossa. Yhdessä A*STAR:n bioinformatiikan instituutin tutkijoiden kanssa, niin ikään Singaporessa, hänen ryhmänsä on tunnistanut kymmeniä suckeriiniproteiineja. Ne muodostavat vahvoja, venyviä rakenteita, joita kutsutaan beeta-arkkeiksi, Kumarin ryhmä raportoi. (Nämä rakenteet tekevät myös hämähäkin silkistä vahvaa ja venyvää.) Uudet tiedot osoittavat, että nämä kalmarin proteiinit ovat termoplastisia. Se tarkoittaa, että ne sulavat, kun niitä kuumennetaan, ja muuttuvat taas kiinteiksi, kun ne jäähtyvät.
”Tämä tekee materiaalista muokattavaa ja uudelleenkäytettävää”, Kumar selittää. Hän esitteli ryhmänsä tulokset helmikuun lopulla Biophysical Societyn konferenssissa Los Angelesissa, Kaliforniassa.
Bakteerien avulla
Kumarin tutkimukset ovat keskittyneet suckerin-19:ään, joka on yksi yleisimmistä näistä proteiineista. Hän työskentelee materiaalitutkija Ali Miserezin laboratoriossa, joka on tutkinut kalmarin proteiineja vuodesta 2009.
Kumarin ei tarvitse poistaa kalmarin hampaita proteiinien tutkimiseksi. Sen sijaan Miserezin laboratorion tutkijat voivat ”kouluttaa” bakteerit valmistamaan proteiineja. Tätä varten tutkijat muuttavat yksisoluisten mikrobien geenejä. Näin tutkimusryhmä voi saada runsaasti imuhampaiden proteiineja – silloinkin, kun kalmareita ei ole paikalla.
Tutkijat uskoivat aiemmin, että kalmarin imuhampaat on tehty kovasta aineesta nimeltä kitiini (KY-tin). ”Jopa oppikirjoissa mainitaan joskus, että ne on tehty kitiinistä”, Kumar toteaa. Mutta se ei pidä paikkaansa, hänen ryhmänsä on nyt osoittanut. Hampaat eivät myöskään koostu kalsiumin kaltaisista mineraaleista, jotka antavat ihmisen hampaille niiden lujuuden. Sen sijaan kalmarin rengashampaat sisältävät proteiineja ja vain proteiineja. Se on jännittävää, Kumar sanoo. Se tarkoittaa, että supervahvaa materiaalia voidaan valmistaa pelkillä proteiineilla – muita mineraaleja ei tarvita.
Ja toisin kuin silkit (kuten ne proteiinit, joita hämähäkit tai koteloita valmistavat hyönteiset valmistavat), kalmarin aine muodostuu veden alla. Se tarkoittaa, että kalmarista inspiroituneista materiaaleista voisi olla hyötyä kosteissa paikoissa, kuten ihmiskehon sisällä.
Materiaalitutkija Melik Demirel työskentelee Pennsylvanian valtionyliopistossa University Parkissa. Siellä hän työskentelee kalmarin proteiineilla ja tietää alan tutkimuksesta. Singaporen ryhmä ”tekee mielenkiintoisia juttuja”, hän sanoo. Aikoinaan hän teki yhteistyötä Singaporen ryhmän kanssa. Nyt, hän sanoo, ”me kilpailemme.”
Yhteistyö ja kilpailu ovat vieneet alaa eteenpäin, hän toteaa. Vasta viime vuosina tutkijat ovat alkaneet todella ymmärtää kalmarin hampaiden proteiinien rakennetta. Hän toivoo voivansa käyttää tätä tietoa hyödyksi.
Juuri äskettäin Demirelin laboratorio tuotti kalmarista inspiroitunutta materiaalia, joka pystyy parantamaan itsensä, kun se vaurioituu. Singaporen ryhmä keskittyy ymmärtämään, mitä luonto on tuottanut hampaissa. Demirel sanoo, että hänen ryhmänsä yrittää tehdä asioita, ”jotka ylittävät sen, mitä luonto on tarjonnut.”
Voimasanat
(lisää voimasanoista löydät täältä)
bakteeri (pl. bakteeri) Yksisoluinen organismi. Niitä asuu lähes kaikkialla maapallolla, meren pohjasta eläinten sisälle.
kalsium Kemiallinen alkuaine, joka on yleinen maankuoren mineraaleissa ja merisuolassa. Sitä esiintyy myös luun mineraaleissa ja hampaissa, ja sillä voi olla merkitystä tiettyjen aineiden liikkumisessa soluihin ja soluista ulos.
tutkinto-opiskelija Joku, joka työskentelee kohti ylempää korkeakoulututkintoa käymällä kursseja ja tekemällä tutkimusta. Tätä työtä tehdään sen jälkeen, kun opiskelija on jo valmistunut korkeakoulusta (yleensä nelivuotisen tutkinnon suorittanut).
materiaalitiede Tutkimus siitä, miten materiaalin atomi- ja molekyylirakenne liittyy sen yleisiin ominaisuuksiin. Materiaalitieteilijät voivat suunnitella uusia materiaaleja tai analysoida olemassa olevia materiaaleja. Heidän analyysinsä materiaalin kokonaisominaisuuksista (kuten tiheydestä, lujuudesta ja sulamispisteestä) voivat auttaa insinöörejä ja muita tutkijoita valitsemaan materiaaleja, jotka soveltuvat parhaiten uuteen sovellukseen.
mineraali Kallion muodostavat kiteet, kuten kvartsi, apatiitti tai erilaiset karbonaatit. Useimmat kivet sisältävät useita eri mineraaleja sekaisin keskenään. Mineraali on yleensä kiinteä ja stabiili huoneenlämmössä, ja sillä on tietty kaava eli resepti (jossa atomeja esiintyy tietyissä suhteissa) ja tietty kiderakenne (eli sen atomit ovat järjestäytyneet tiettyihin säännöllisiin kolmiulotteisiin kuvioihin). (fysiologiassa) Samat kemikaalit, joita elimistö tarvitsee kudosten muodostamiseen ja ruokkimiseen terveyden ylläpitämiseksi.
molekyyli Sähköisesti neutraali atomiryhmä, joka edustaa pienintä mahdollista määrää kemiallista yhdistettä. Molekyylit voivat koostua yhdenlaisista atomeista tai erityyppisistä atomeista. Esimerkiksi ilman happi koostuu kahdesta happiatomista (O2), mutta vesi koostuu kahdesta vetyatomista ja yhdestä happiatomista (H2O).
saalis (n.) Eläinlaji, jota muut syövät. (v.) Hyökätä toisen lajin kimppuun ja syödä sitä.
proteiinit Yhdestä tai useammasta pitkästä aminohappoketjusta koostuvat yhdisteet. Proteiinit ovat olennainen osa kaikkia eläviä organismeja. Ne muodostavat elävien solujen, lihasten ja kudosten perustan; ne myös tekevät työtä solujen sisällä. Veren hemoglobiini ja vasta-aineet, jotka pyrkivät torjumaan infektioita, ovat tunnetuimpia, itsenäisiä proteiineja. Lääkkeet vaikuttavat usein tarttumalla proteiineihin.
siitu Hieno, vahva ja pehmeä kuitu, jota kehräävät monet eläimet, kuten silkkiäistoukat ja monet muut toukat, kutomuurahaiset, kottaraiskärpäset ja – todelliset taiteilijat – hämähäkit.
Singapore Malesian kärjen edustalla Kaakkois-Aasiassa sijaitseva saarivaltio. Entinen englantilainen siirtomaa, josta tuli itsenäinen valtio vuonna 1965. Sen noin 55 saarta (suurin on Singapore) käsittää noin 687 neliökilometriä maata, ja siellä asuu yli 5,6 miljoonaa ihmistä.
kalmarit Pääjalkaisten heimoon (johon kuuluvat myös mustekalat ja seepiat) kuuluva eläin. Näillä petoeläimillä, jotka eivät ole kaloja, on kahdeksan kättä, ei luita, kaksi lonkeroa, jotka pyydystävät ruokaa, ja määritelty pää. Eläin hengittää kidusten avulla. Se ui puhaltamalla vesisuihkuja päänsä alapuolelta ja heiluttamalla sitten evän kaltaista kudosta, joka on osa sen vaippaa, joka on lihaksikas elin. Mustekalan tavoin se voi peittää läsnäolonsa päästämällä ilmaan ”mustepilven”.
sucker (kasvitieteessä) Kasvin tyvestä lähtevä verso. (eläintieteessä) Joidenkin pääjalkaisten, kuten kalmarin, mustekalan ja seepian, lonkeroiden lonkeroissa oleva rakenne.
suckeriinit Perhe rakenteellisia proteiineja, jotka muodostavat perustan monille luonnollisille aineille hämähäkkisilkistä kalmarin imijöiden hampaisiin.
thermoplastic Termi aineille, jotka muuttuvat plastisiksi – kykenevät muuttamaan muotoaan – kun niitä kuumennetaan, ja jotka sitten kovettuvat, kun ne jäähtyvät. Ja nämä muodonmuutokset voidaan toistaa yhä uudelleen.