De biomimetische innovaties geïnspireerd op de koudere klimaten van de aarde

Van antivries-eiwitten in vissenbloed tot schonere enzymen in mariene micro-organismen: de koudere klimaten op aarde zitten vol opmerkelijke innovaties die mensen nu leren te repliceren…

Artikel zoals gepubliceerd op National Geographic

Waarom bevriezen vissen niet in het noordpoolgebied? Het is het soort vraag dat een kind kan stellen, en tot relatief kortgeleden hadden we niet echt een goed antwoord. De natuur zit vol met zulke mysteries, die raadsels vormen voor wetenschappers en inspiratie bieden voor superheldenfilms.

Maar in de afgelopen decennia hebben mensen niet alleen de mechanismen achter dergelijke vaardigheden vastgesteld – we hebben ook geleerd hoe we ze kunnen repliceren, waardoor een geheel nieuw gebied van onderzoek en ontwikkeling is ontstaan waarin wetenschap, technologie en techniek worden gecombineerd: biomimetica.

Maar terug naar die vissen. De Arctische oppervlaktewatertemperatuur ligt in de winter rond de -1,8 graden Celsius, wat ongeveer het vriespunt van zout water is. Maar vissenbloed bevriest bij ongeveer -0,9 graden Celsius – wat het Noordpoolgebied op het eerste gezicht niet aanbeveelt als leefgebied. Tenzij je antivries in je bloed hebt.

In de jaren 60 van de vorige eeuw ontdekte moleculair bioloog Arthur de Vries een eiwit in vissenbloed dat de vorming van ijsdeeltjes voorkomt, wat de temperatuur waarop hun bloed bevriest in feite verlaagd. Wat op dat moment niet begrepen werd, was hoe het eiwit eigenlijk werkte.

Het was pas meer dan 40 jaar later dat wetenschappers het moleculaire proces erachter ontdekten: het eiwit vertraagt de doorgaans razendsnelle hechting die optreedt in watermoleculen, en voorkomt zo dat ze ijskristallen vormen. Dat is een handige truc die veel efficiënter is dan het soort antivries dat doorgaans wordt gebruikt op de voorruit van voertuigen. Dat middel moet zich actief hechten aan watermoleculen om zijn werk te doen.

Vandaag de dag worden antivries-eiwitten (AFP's) ontwikkeld voor gebruik in een reeks product- en servicecategorieën, van het zacht en kristalvrij houden van ijs tot het bewaren van cellen en weefsel voor biomedisch onderzoek en behandelingen en het maken van uiterst duurzaam beton dat bestand is tegen schade door bevriezing en ontdooiing.

IJsberen hebben een heel andere methode om niet dood te vriezen. Dat is al net zo opmerkelijk omdat ze soms dagenlang rondzwemmen in Noordpoolwateren. Ze beschikken over drie belangrijke aanpassingen die hen warm houden: een dikke laag onderhuids vet, zwarte huid die de infraroodstralen van de zon en de lichaamswarmte van de beer absorbeert, en ten slotte een fijnmazige, isolerende onderlaag en vacht met holle haarschachten die licht reflecteren. Het is dat laatste kenmerk dat onderzoekers hebben gebruikt als inspiratie voor het soort geavanceerde materialen die onze verkenning van de ruimte verder helpen.

IJsberen zijn uniek onder de zoogdieren omdat hun haar hol is – een kenmerk dat ook verantwoordelijk is voor hun witte uiterlijk. De structuur van elke vezel heeft zich ontwikkeld om de warmteretentie en waterbestendigheid te optimaliseren en toch extreem licht en flexibel te blijven – allemaal gewenste kwaliteiten in de klasse van ultralichte materialen die bekend staan als aerogels.

Vorig jaar ontwikkelde een team van wetenschappers van de University of Science & Technology of China (USTC) een koolstofgebaseerde aerogel die de holle structuur van deze haren nabootst. Door microscopische holle koolstofbuisjes samen te weven, waren ze in staat om een klein blokje materiaal te vormen dat lichter was dan de meeste andere aerogels, terwijl ze toch betere hitte- en waterbestendigheid bieden dan ijsberenhaar. Zodra onderzoekers hun laboratoriumproductieproces op industriële schaal kunnen repliceren, gaat het nieuwe materiaal een brede toepassing tegemoet in de lucht- en ruimtevaartindustrie en in de bouwsector.

En dan is er de link tussen zeewier in koud water en wasmiddel. Zogenoemde biologische wasmiddelen gebruiken al sinds de jaren 60 enzymen om wasbeurten te verbeteren, en wetenschappers werken voortdurend aan het verbeteren van hun prestaties – en zoeken opnieuw naar inspiratie in de natuur. Voor Dash betekende dat een nadere blik op een kleine microbe die op zeewier leeft...

Het micro-organisme – een bacterie – gebruikt het zeewier als voedselbron en als toevluchtsoord, en bindt zich aan het oppervlak van het zeewier. Als het klaar is om te vertrekken, geeft het een enzym af om zichzelf te ‘ontplakken’ en af te drijven op de oceaanstroom. Onderzoekers van Newcastle University realiseerden zich dat het enzym ontwikkeld kon worden voor gebruik in consumentenproducten.

Dat betekent niet dat wetenschappers zeewier oogsten om wasmiddel te maken – het specifieke fosfodiësterase-enzym in de natuur deed dienst als prototype van waaruit de onderzoekers, onder leiding van Dash-onderzoekspartner Neil Lant, en in samenwerking met biotechpartner Novozymes, in staat waren om een eiwit te ontwikkelen dat de prestaties van de biologische wasmiddelen van Dash aanzienlijk zou verbeteren. Dat proces omvatte eerst het identificeren van een soortgelijk enzym met optimale prestaties in de natuur, en vervolgens het optimaliseren van de aminozuursequentie om de vereiste balans tussen stabiliteit en prestaties te vinden in vloeibaar wasmiddel.

Het eindproduct is Purezyme, een gepatenteerd enzym dat zeer effectief is in het verwijderen van kleverig vuil uit textiel, zelfs in koud water, terwijl het onschadelijk wordt afgebroken naarmate het afvalwaterbehandeling ondergaat en terugkeert in de watercyclus.

Biomimetica herinnert ons aan de pure vindingrijkheid van evolutie. Niet alleen vanwege de wonderbaarlijke eigenschappen die in de natuur voorkomen, maar in het feit dat evolutie een soort voorbracht – wij als mensen – die kan fungeren als haar tussenpersoon en die vindingrijkheid toepast op nieuwe gebieden, van voertuigen die in staat zijn door de ruimte te reizen tot Pods die we in onze wasmachines gooien om onze kleding te reinigen.

En omdat de natuur de bron is van deze innovatie – inclusief wijzelf – is van cruciaal belang dat we haar beschermen. Er zijn veel kleine dingen die we kunnen doen om een verschil te maken. In Europa wordt bijvoorbeeld gemiddeld tot wel 60 procent van de uitstoot van broeikasgassen veroorzaakt door het opwarmen van het water in onze wasmachines – meer dan verpakkingen of ingrediënten. Het verlagen van de temperatuur met slechts een paar graden kan de energieverspilling drastisch verminderen.