Melanin nadějným materiálem pro bioelektroniku

Podivuhodné polymerní pigmenty melaniny jsou v přírodě všudypřítomné, s několika zajímavými výjimkami. Například je zatím ještě nikdo nenašel u pavouků. Ty živočišné jsou odvozené od aminokyseliny tyrozinu, ale jinak jsou k vidění prakticky u všech skupin organismů. Lidé je mají leckde, od pokožky, vlasů a očních duhovek až po vnitřní ucho a některé části mozku. Přítomnost melaninu dala jméno takzvané černé substanci (Substantia nigra), párové struktuře středního mozku, která je významná pro řízení pohybu.

Velmi pozoruhodný je melanin v ochraně před příliš intenzivním světlem. Dovede totiž elegantně absorbovat škodlivé UV záření, které jinak rozbíjí DNA a prakticky všechno jej přeměnit na teplo. U lidí funguje tak, že po vystavení těla ultrafialovému záření střední vlnových délek (UV-B), začnou pigmentové buňky pokožky, čili melanocyty, ve zvýšené míře produkovat melanin, aby tak chránily podkoží. Šikovné molekuly melaninu krom toho chrání i před vysokou teplotou, agresivními chemickými látkami i biochemickými hrozbami, čehož často využívají nejrůznější patogeny. Melanin očividně v mnoha ohledech souvisí s lidským zdravím a jeho metabolické dráhy i chování v organismu jsou už delší dobu pod pečlivým dohledem. Teď se navíc zdá, že by mohl významně přispět i rozvoji biologické elektroniky.

Paul Meredith z University of Queensland a jeho spolupracovníci totiž nedávno poprvé hlouběji prostudovali velmi komplexní elektrické vlastnosti melaninu a zdá se, že je velmi nadějným materiálem pro vývoj biologicky přívětivých elektronických zařízení. Badatelé zjistili, že se molekuly melaninu velmi zajímavým způsobem chovají jako polovodiče. Drtivá většina soudobé elektroniky používá anorganické polovodiče, v nichž se hojně objevují prvky jako křemík, galium anebo arzén. Přírodních organických polovodičů je oproti tomu velice málo a právě melanin byl nejspíš první molekulou, u které se to zjistilo, někdy na počátku sedmdesátých let. Odborníci si dlouho mysleli, že melanin je amorfní organický polovodič, teď se ale ukázalo, že je to jinak.

Polovodiči v soudobých elektronických zařízeních protéká elektrický proud v podobě přenosu elektronů. Naproti tomu v biologických systémech, jako je třeba nervová soustava anebo svalstvo, přenášejí elektrický proud ionty. Meredith a spol. přišli na to, že u melaninu hrají ve skutečnosti významnou roli elektrony i ionty zároveň. Jak se nechali slyšet, pomohly jim v tom znalosti biologického chování melaninu. Po deseti letech výzkumu mají teď jasno v tom, že molekuly melaninu mohou komunikovat jak s iontovými, tak elektronovými elektrickými obvody. To je vyloženě předurčuje do role rozhraní mezi klasickým biologickým tělem a elektronikou. Takových materiálů je velice málo a je tedy prý docela dobře možné, že se melanin opravdu začne používat k výrobě biologické elektroniky. 

Není tajemstvím, že trh s elektronikou stále intenzivněji požaduje levnější a levnější materiály, které by zároveň byly co nejpřívětivější vůči životnímu prostředí. Podle toho co víme, tak melanin tyhle potřeby docela ideálně naplňuje. Melanin by se také jistě velmi dobře propagoval na veřejnosti. Mimo jiné se totiž vyskytuje i v inkoustu hlavonožců, což si vyloženě říká o vesele poblázněnou reklamu. Organické polovodiče samozřejmě mají veliký potenciál v medicíně, kde by se z nich mohly časem vyrábět rozličné senzory či implantáty. Meredith a spol. právě v této době pracují na vývoji elektrického zařízení obsahujícího melanin, které by pak následně rádi připojili k živému biologickému systému. Není těžké uhodnout, že by se takové implantáty mohly uplatnit zejména při stimulaci či nápravě elektrické signalizace ve svalech anebo třeba v mozku. Možná se právě melanin díky svým pozoruhodným vlastnostem stane klíčovým materiálem pro vývoj mozkových implantátů pro běžné uživatele, na které se mnozí z nás už tak dlouho těší.

Autor: RNDr. Stanislav Mihulka Ph.D.

Líbil se Vám tento článek? Doporučte jej svým známým.

Použité zdroje:

Originální studie: Role of semiconductivity and ion transport in the electrical conduction of melanin, PNAS 2012 109 (23) 8943-8947 PNAS online 21.5. 2012.

Další použité zdroje: University of Queensland News 27.6. 2012, Wikipedia (Melanin, Organic semiconductor).

Obrazové přílohy:

Paul Meredith. Kredit: University of Queensland.

Když melanin schází. Kredit: Muntuwandi, Wikimedia Commons.