Resilin - tworzywo przyszłości?

Elementy budowy ważek, w pojęciu maszyn latających, a nawet robotów, stanowią nie lada gratkę i wyzwanie dla konstruktorów, którzy szukają sposobów na skopiowanie technicznych rozwiązań występujących w przyrodzie. Co takiego jest w skrzydłach ważek, że potrafią tak szybko, precyzyjnie i ekonomicznie fruwać? Jak wspomniałam w poprzednim wpisie, aparat lotu ważki działa inaczej niż u większości owadów (te fruwają na zasadzie garnka i dociskanej, bądź unoszonej pokrywki). Otóż skrzydła ważki wspomagane są przez mocne mięśnie lotne znajdujące się w tułowiu i połączone są ze skrzydłami za pomocą stawów lotnych. A stawy te zbudowane są z materiału o szczególnych właściwościach mechanicznych, nazwanego resilinem. 
Michał Ostrowski opisuje go tak: "Jak żaden inny materiał jest on [ów resilin] bardzo elastyczny potrafiąc jednocześnie gromadzić dużą ilość energii, by ją potem, w odpowiedniej chwili, wyzwolić. To tak jakby zgnieść plastikową butelkę, która natychmiast po zgnieceniu wraca do poprzedniego kształtu. Resilin razem ze skrzydłami stanowi taki system ruchu, który pracuje z określoną częstotliwością". (źródło)
 

Czym zatem jest resilin?

Resilin jest elastomerowa forma białka występująca u wielu owadów. Znajduje się w tych częściach ciała, które umożliwiają wielu gatunkom owadów skuteczne poruszanie się lub machanie skrzydłami. Po raz pierwszy resilin został odkryty przez duńskiego zoologa Torkel'a Weis-Fogh'a (1922–1975) w stawach skrzydeł szarańczy.

Resilin uważany jest obecnie za najbardziej wydajne i elastyczne dotąd poznane białko (Elvin i in., 2005). Elastyczna wydajność resilinu wyizolowanego ze ścięgna szarańczy wynosi 97% (czyli zaledwie 3% zmagazynowanej energii zostaje zamienione w energię cieplną).
Resilin nie posiada regularnej struktury, jednak jego losowo zwinięte prawostronne łańcuchy połączone są krzyżowo przez di-, tri-tyrozynowe powiązania dla nadania elastyczności niezbędnej do przemieszczania (np. napędzania odnóży niektórych owadów skaczących. I tak pchła potrafi jednym skokiem pokonać odległość do 150-krotności długości swego ciała). Resilin zachowuje swoje właściwości przez przez cały okres życia dorosłych owadów, zatem musi wydajnie i niezawodnie funkcjonować w czasie setek milionów [aż tyle tego?] skurczów i rozkurczów. Resilin wykazuje swe niezwykłe właściwości elastomeryczne tylko po spęcznieniu w rozpuszczalnikach polarnych, takich jak woda.
Rekombinowaną formą białka resilin muszki Drosophila melanogaster, pro-resilin, zsyntetyzowano w 2005 przez odwzorowanie części genu lotnego w bakterii Escherichia coli. Oczekuje się, że resilin może znaleźć wiele zastosowań w obuwiu sportowym, medycynie, mikroelektronice i innych gałęziach przemysłu.
Rekombinowaną postać białka resilin muszki owocowej Drosophila melanogaster, pro-resilin, zsyntetyzowano w 2005 r. przez umieszczenie części genu tej muszki w bakterii pałeczka okrężnicy Escherichia coli. Oczekuje się, że tworzywo to może znaleźć wiele zastosowań, np. w obuwiu sportowym, w dziedzinie medycyny, a takze mikroelektronice i innych gałęziach przemysłu. (źródło)

Dla uzupełnienia podaję czym są elastomery:

Elastomery – to polimerowe tworzywa sztuczne lub naturalne, które cechuje zdolność do odwracalnej deformacji pod wpływem działania sił mechanicznych, z zachowaniem ciągłości ich struktury. Elastomery to szersza grupa materiałów niż gumy, które stanowią tylko jedną z klas elastomerów.
Elastomer posiada zdolność zmiany w szerokim zakresie swoich wymiarów w momencie gdy jest poddawany naprężeniom rozciągającym, ścinającym lub ściskającym oraz następnie powrót do poprzednich wymiarów. Np: niektóre rodzaje gum opartych na kauczukach silikonowych można rozciągnąć o 1000% pierwotnych wymiarów bez zerwania.
Zdolność elastomerów do zmiany wymiarów wynika z ich specyficznej budowy chemicznej. Elastomery są usieciowanymi polimerami amorficznymi, które posiadają niską temperaturę zeszklenia, dużo poniżej temperatury pokojowej. (źródło i cd tutaj)

Ponadto znalazłam jeszcze interesujący artykuł na temat resilinu opublikowany 12 października 2005 r. na stronie livescience.com. Prawdopodobnie stanowi on źródło powyższego opisu.

W laboratorium wytworzono niesamowitą owadzią "gumę"

Specjalny rodzaj białka umożliwia owadom wydawanie dźwięków, latanie i skakanie. Naukowcy wyprodukowali to samo białko w laboratorium i można zakładać, że pewnego zostanie ono użyte do naprawy arterii człowieka.
Białko, zwane resilin, zachowuje się jak guma. Po ściśnięciu, spłaszczeniu czy skurczeniu jest zdolne zmagazynować energię i błyskawicznie ją uwalniać. U owadów funkcjonuje zachowując swe właściwości przez całe ich życie. 
Muchy wykorzystują trwałość tego materiału, by trzepotać skrzydłami ponad 720 tysięcy razy na godzinę (200 razy w ciągu sekundy). Stawy skokowe pchły wyposażone w resilin potrafią osiągnąć przyśpieszenie 400% w czasie 1 milisekundy, dzięki błyskawicznemu uwolnieniu energii. 

Podczas gdy większość owadów korzysta z resilinu w celu poruszania się, inne, takie jak cykady, ćmy i niektóre skorupiaki, wykorzystują go jak bęben, by wydawać głośne dźwięki. Resilin zawarty w  zewnętrznej powłoce owada zapewnia sprężystość skądinąd sztywnej struktury. W ten sposób udaje się królowym termitów rozciągnąć ciało obciążone jajami [a dziennie znosi ich od 80 do 300 tysięcy!! Ciało samicy potrafi rozciągnąć się, powiększyć od 50 do 2000 razy w porównaniu do ciała robotnic].
Naukowcy z  Wydziału Nauki i Badań Przemysłowych Organizacji Wspólnoty Narodów w Australii skopiowali [wszczepili chyba] gen resilinu z powszechnie używanej do badań naukowych muszki owocowej Drosophila melanogaster i umieścili je w genomie bakterii Escherichia coli. Pałeczki okrężnicy E. coli stanowią bakteryjny odpowiednik fabryki białka. Następnie badacze nakłonili je do wytwarzania białka w postaci cząsteczek podobnych do gumy (kauczuku?) poprzez  wystawienie ich na działanie światła.

W świecie nauki, sprężystość jest miarą zdolności materiału do odzyskania pierwotnego kształtu po deformacji na skutek przyłożonego naprężenia. Resilin jest jednym z najbardziej elastycznych materiałów - może być rozciągnięty nawet do trzykrotnej długości pierwotnej bez przerywania powiązań cząsteczek i posiada szczególną zdolność do odzyskania kształtu
Ponieważ resilin jest strukturalnie podobny do elastyny​​, która pozwala naczyniom krwionośnym rozszerzać się i kurczyć, naukowcy uważają za możliwe zastosowanie go przy leczeniu  uszkodzonych, niesprawnych naczyń krwionośnych u człowieka. 
Badanie to zostało szczegółowo zaprezentowane 13 października 2005 w czasopiśmie Nature (link)

Elastyna – białko strukturalne o budowie fibrylarnej, należące do skleroprotein, które występuje w tkance łącznej. Jest m.in. głównym składnikiem ścięgien, więzadeł, tkanki płucnej oraz ścian większych naczyń krwionośnych. Ze względu na obecność elastyny, tkanki w nią obfitujące po rozciągnięciu lub ściśnięciu odzyskują swój pierwotny kształt i wielkość (np. skóra).