Søpindsvinprotein giver indsigt i selvsamling af skeletstrukturer

Calciumcarbonat, eller CaCO3, udgør mere end 4% af jordskorpen. Dens mest almindelige naturlige former er kridt, kalksten, og marmor, produceret ved sedimentering af skaller af små forstenede snegle, skaldyr, og koraller gennem millioner af år.

New York University College of Dentistry (NYU Dentistry) forskere studerer, hvordan naturen skaber tredimensionelle CaCO3 uorganisk/organisk baserede materialer til at danne muslingeskaller, hvirvelløse eksoskeletter, og hvirveldyrsben, dentin, og emalje.

John Evans, DMD, Ph.d., en professor i NYU Dentistry's Department of Basic Science and Craniofacial Biology, fører tilsyn med en forskningsgruppe, der fokuserer på studiet af proteiner, der modulerer dannelsen af ​​biomineraler, som igen skaber nye kompositmaterialer med unikke egenskaber, såsom øget brud- og punkturmodstand.

I et papir for nylig offentliggjort i Biokemi , Gaurav Jain, Ph.d., en postdoc i Dr. Evans' laboratorium og medforfatter til "A model sea urchin spicule matrix protein, rSpSM50, er en hydrogelator, der modificerer og organiserer mineraliseringsprocessen, " så på, hvordan CaCO3-matrixen er organiseret inde i en søpindsvinsspikel (se figur 1). Først, disse spicules er ikke andet end kridt, men når det kombineres med søpindsvinproteiner, de danner små stakke af "mursten, " at skabe en struktur, der giver noget af det hårdeste forsvar mod rovdyr og barske havforhold.

"Primære mesenchymceller (PMC'er) inde i et søpindsvin-embryo afsætter amorft CaCO3 i matrixen af ​​spiculære proteiner, hvor disse mursten er formet til lag af calciumcarbonatkrystaller, " bemærker Dr. Jain. "Men, de funktionelle og samleevner af individuelle spiculematrixproteiner er ikke klare. Vi undersøger i øjeblikket et sådant protein, der findes inde i spiklerne i et søpindsvinembryo for at forstå, hvad der gør disse proteiner til så effektive 'murstensorganisatorer'. "

Forskerne så på SM50, et af de mest rigelige og velundersøgte proteiner, der findes inde i disse spicules. De fandt ud af, at en rekombinant version af SM50-proteinet, rSpSM50, er et meget aggregations-tilbøjeligt protein, der danner bittesmå gelélignende strukturer kaldet hydrogeler i opløsning. Disse 'geléer' fanger små mineralske nanopartikler og organiserer dem i krystallinske 'klodser'. I øvrigt, rSpSM50 forårsager overfladeteksturering og danner tilfældigt forbundne porøse kanaler i disse krystaller.

"Det unikke ved rSpSM50 er, at det fremmer dannelsen og organiseringen af ​​to forskellige former for calciumcarbonat - calcit og vaterit i selve 'geléerne', inducering af brudmodstand til den overordnede struktur, " sagde Dr. Jain.

Forskere brugte en specifik type titreringsmetode, der afslørede detaljerne om meget tidlige begivenheder i spikeldannelsen.

"rSpSM50 viser sig at være en virkelig vigtig brik i puslespillet, da det bremser dannelseskinetikken, men hverken stabiliserer eller destabiliserer de ekstremt små mineralpartikler, der i sidste ende danner disse mursten, " siger medforfatter Martin Pendola, PhD.

CaCo3 har altid været en mands foretrukne byggemateriale til at lave primitive værktøjer, musikinstrumenter, og håndværk siden begyndelsen af ​​civilisationen. I moderne tid, CaCO3 er det mest udbredte mineral i papiret, plastik, maling og belægningsindustrier både som fyldstof - og på grund af dets særlige hvide farve - som et belægningspigment.

"Vores nuværende forskning, finansieret af det amerikanske energiministerium, vil gøre det muligt for forskerne bedre at forstå mineraliserings- og samlingsprocessen, der er afgørende for spiculedannelse i søpindsvin, " sagde Dr. Evans. "Vores ultimative mål er at bestemme de molekylære egenskaber af disse proteiner, der tillader matricer at samles, mineralisere, og deltage i dannelsen af ​​naturligt forekommende organiske/uorganiske skeletstrukturer. Håbet er, at den omfattende forståelse af spiculeproteiner vil muliggøre udviklingen af ​​justerbare brudbestandige materialer, som en dag vil finde sin anvendelse i udviklingen af ​​letvægts 'panser' og 'stærkere' dentalkompositter."