Fremstilling af biomineraler:Naturens opskrift er gammel, udviklet sig mere end én gang

I de seneste år, videnskabsmænd har drillet mange af hemmelighederne bag biomineralisering, den proces, hvorved søpindsvin vokser pigge, bløddyr bygger deres skaller og koraller laver deres skeletter, for ikke at tale om, hvordan pattedyr og andre dyr laver knogler og tænder.

De materialer, som dyr laver fra bunden for at bygge beskyttende skaller, knivskarpe tænder, Bærende knogler og nålelignende rygsøjler er nogle af de hårdeste og mest holdbare stoffer, man kender. Opskriften på at lave disse materialer var en af ​​naturens tætte hemmeligheder, men kraftfulde nye analytiske værktøjer og mikroskoper har skrællet meget af mysteriet tilbage, viser, på nanoskala, præcis hvordan en bred vifte af dyr bruger præcis de samme mekanismer og startkemikalier til at lave de biominerale strukturer, de er afhængige af.

Nu, i en rapport offentliggjort i dag (19. august, 2019) i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ), et hold ledet af Pupa Gilbert, en University of Wisconsin-Madison professor i fysik, viser, at opskriften på at lave skaller, rygsøjler, og koralskeletter er ikke kun de samme på tværs af mange moderne dyreslægter, men er gammel – går 550 millioner år tilbage – og udviklede sig selvstændigt mere end én gang.

Resultaterne er vigtige, fordi de hjælper med at sammenføje en evolutionær fortælling om biomineralisering. Det fyldigere billede af en proces, der er allestedsnærværende for dyrelivet på vores planet, fortæller os ikke kun noget vigtigt om vores verden, men detaljerne kan en dag blive udnyttet af mennesker til at producere hårdere, lettere, mere holdbare materialer; værktøj, der aldrig skal slibes; mere trofaste biomedicinske implantater; og muligheden for menneskelig indgriben i ting som at genopbygge verdens koralrev.

"Opdagelsen af, at biomineralisering udviklede sig uafhængigt flere gange, ved at bruge samme mekanisme, fortæller os, at der er en stærk fysisk eller kemisk grund til at gøre det, " siger Gilbert, en verdensekspert i biomineraliseringsprocessen. "Hvis en organisme begynder at lave sit biomineral på den måde, det udkonkurrerer alle andre, der enten ikke laver biomineral eller gør dem anderledes, det bliver ikke spist, og får formidlet den gode idé ned i slægten."

Den nye PNAS rapporten bygger på en række skelsættende opdagelser fra Gilbert og hendes kolleger. I tidligere undersøgelser, Wisconsin-fysikeren har vist, at processen med biomineralisering fungerer på samme måde i vidt forskellige klasser af dyr, lige fra bløddyr som abalone, til pighuder som søpindsvin, og til cnidaria, en stor gruppe dyr, der omfatter koraller, vandmand, og søanemoner. Disse phyla, eller brede grupper af dyr, har ingen fælles forfader, der allerede var biomineraliserende, de skal således have udviklet biomineraliseringsmekanismer uafhængigt. Derfor, Gilbert siger, "det er ekstremt overraskende, at da de begyndte at biomineralisere i Kambrium (mere end 500 millioner år siden), begyndte disse tre phyla at gøre det på præcis samme måde:ved at bruge vedhæftning af amorfe nanopartikler."

"Biomineralisering illustrerer både naturens enhed og mangfoldighed, " forklarer Andrew Knoll, en professor i naturhistorie og i jord- og planetvidenskab ved Harvard University, og en tilsvarende medforfatter til den nye rapport. "Biomineraliserede skeletter kan have udviklet sig så mange som tyve gange inden for dyr alene. Det betyder, at ikke to af disse biomineraliserende grupper deler en fælles forfader, som, sig selv, skabte et biomineraliseret skelet."

Gilbert og hendes kolleger har vist, at forskellige biomineraler dannes begyndende med amorfe calciumcarbonat nanopartikler, som produceres i celler og er det kritiske startkemikalie for alle de materialer, der dannes i biomineraliseringsprocessen, det være sig pilledyret, eller perlemor, der beklæder en abaloneskal eller de stenslibende tænder på en søpindsvin. "Mere end et biomineral dannes af disse amorfe precursor nanopartikler, " siger Gilbert. "Det er lige meget, om det er en søpindsvin-spikel, en tand, en rygsøjle, Nacre, eller koraller. Alle disse systemer har de samme amorfe prækursorer.

"Amorfe calciumcarbonat nanopartikler, " tilføjer Gilbert, "er stabiliseret i indespærring, og reversibelt. Dermed, krystaller kimner ikke og vokser på det forkerte sted og tidspunkt, men de kan og gør på det rigtige sted og tidspunkt, det er, på den voksende overflade af en skal, et koralskelet, en søpindsvinsrygrad."

Mange dyrs evne til at gøre hårdt, beskyttende eller defensive strukturer, siger Knoll, var sandsynligvis en bred reaktion på udviklingen af ​​kødædende dyr, afspejlet i et "udbrud af biomineralisering" set i fossiler fra den kambriske periode, begyndte for omkring 541 millioner år siden.

De mikroskopiske partikler af calciumcarbonat produceret i dyreceller er det samme stof, der danner "kalk" aflejringer i rør og VVS-armaturer. I et dyr, det transformeres på stedet for biomineralisering ved at binde sig til stedet og danne krystaller, hvori individuelle atomer er pænt justeret for at danne et gitter, et slags stillads for hvilken struktur et dyr end bygger. Processen er blevet drillet af Gilberts team ved hjælp af et nyt mikroskop, der anvender de bløde røntgenstråler produceret af synkrotronstråling til at observere på nanoskala, hvordan strukturerne kommer sammen, når de dannes.

Gilberts hold gik tilbage i tiden og brugte de samme teknikker til at undersøge den dybe fossile rekord i tre forskellige phyla, eller brede grupper af beslægtede dyr, går så langt tilbage som 550 millioner år for at prøve det ældste kendte dyrebiomineral:Cloudina-skelettet med dets karakteristiske serie af tragte, der ligger ind i hinanden.

Gilbert bemærker, at mens dyrerester undergår betydelige ændringer i fossiliseringsprocessen, nanopartikelbiomineraliseringssignaturen forbliver intakt og observeres ved at knække åbne fossiler og bruge et scanningselektronmikroskop til at undersøge stedet for bruddet for de afslørende tegn på nanopartikler under den oprindelige krystalliseringsproces. "Vi gik så langt tilbage i tiden som muligt, til de allerførste fossiler, og biomineralisering ved partikelbinding ser det samme ud som hos moderne dyr."

Historien om biomineralisering, som Gilbert og hendes kolleger optrævler, kan være med til at informere om udviklingen af ​​nye materialer, der er nyttige for industrien.

"Vi ved ikke, hvordan man får amorft calciumcarbonat eller noget andet materiale til at danne et rumfyldende fast stof og derefter krystallisere, men det gør celler i marine organismer, Gilbert forklarer. "Hvad vi lærer af dem, vi kan reproducere i laboratoriet og i industrien, og lave materialer, der er langt bedre end summen af ​​deres dele, som alle biomineraler er."