Ny forskning dechifrerer biomineraliseringsmekanismen

Mange organismer kan producere mineraler eller mineraliseret væv. Et velkendt eksempel er Nacre, som bruges i smykker på grund af dets iriserende farver. Kemisk set begynder dens dannelse med et bløddyr, der ekstraherer calcium- og carbonationer fra vand. Men de nøjagtige processer og betingelser, der fører til Nacre, en sammensætning af biopolymerer og blodplader af krystallinsk calciumcarbonat, er genstand for intens debat blandt eksperter, og der findes forskellige teorier.

Forskere er enige om, at ikke-krystallinske mellemprodukter, såsom amorft calciumcarbonat (ACC), spiller en afgørende rolle i biomineralisering. Hummere og andre krebsdyr har for eksempel en forsyning af ACC i maven, som de bruger til at bygge en ny skal efter smeltning. I en nylig undersøgelse offentliggjort i Nature Communications , er det nu lykkedes forskere fra University of Konstanz og Leibniz University Hannover at tyde ACC's dannelsesvej.

En kombination af avancerede metoder

Forskerne ledet af Denis Gebauer (Leibniz Universitet Hannover) og Guinevere Mathies (Universitetet i Konstanz) udnyttede det faktum, at ACC kan syntetiseres ikke kun af levende organismer, men også i laboratoriet. Ved at bruge avancerede metoder såsom magic-angle spinning nuclear magnetic resonance (MAS NMR) spektroskopi analyserede de små ACC-partikler for at bestemme deres struktur.

"Vi kæmpede med at fortolke ACC-spektrene. De antydede dynamik, som vi ikke var i stand til at modellere i starten," siger Mathies.

Et vigtigt spor blev givet af kollegerne fra Leibniz Universitet Hannover. Maxim Gindele fra Gebauer-gruppen viste, at ACC leder elektricitet. Da ACC-partikler er meget skrøbelige og kun titusvis af nanometer i størrelse, var dette ikke så let som at stikke to ledninger ind.

I stedet blev målingerne udført ved hjælp af konduktivitets atomkraftmikroskopi (C-AFM), hvor ACC-partikler på en flad overflade detekteres ved en lille udkragning, der scanner overfladen og visualiseres ved hjælp af en laserstråle. Når cantileveren placeres på en af ​​nanopartiklerne, føres en strøm gennem dens spids for at måle ledningsevnen.

To forskellige miljøer

Informeret af observation af ledningsevne udførte Sanjay Vinod Kumar fra Mathies-gruppen yderligere MAS NMR-eksperimenter med det formål at sondere dynamik. De indikerede to forskellige kemiske miljøer i ACC-partiklerne. I det første miljø er vandmolekylerne indlejret i stift calciumcarbonat og kan kun gennemgå 180 graders vendinger. Det andet miljø består af vandmolekyler, der gennemgår langsom tumbling og translation, med opløste hydroxidioner.

"Den resterende udfordring var at forene de to miljøer med den observerede ledningsevne. Faste salte er isolatorer, og derfor skulle det andet, mobile miljø spille en rolle," siger Mathies. I den nye model danner de mobile vandmolekyler et netværk gennem ACC-nanopartiklerne. De opløste hydroxidioner bærer ladningen.

Forskerne kan også redegøre for dannelsen af ​​de to kemiske miljøer:I vand har calcium- og karbonationer en tendens til at klæbe sammen og danne dynamiske samlinger kaldet præ-nukleationsklynger. Klyngerne kan gennemgå faseadskillelse og danne tætte, flydende dråber, som igen smelter sammen til større aggregater – svarende til hvordan sæbebobler smelter sammen.

"Det stive, mindre mobile miljø opstår fra kernen af ​​de tætte, flydende nanodråber. Netværket af mobile vandmolekyler forbliver på den anden side fra ufuldkommen sammensmeltning af dråbeoverfladerne under dehydrering mod fast ACC," forklarer Gebauer.

Disse resultater er et væsentligt skridt hen imod en strukturel model for ACC. Samtidig giver de solide beviser for, at mineralisering starter med præ-nukleationsklynger. "Dette bringer os ikke kun tættere på at forstå hemmeligheden bag biomineralisering, men kan også have anvendelser i udviklingen af ​​cementholdige materialer, der binder kuldioxid og, da vi nu ved, at ACC er en leder, i elektrokemiske enheder," slutter Mathies.

Flere oplysninger: Maxim B. Gindele et al., Kolloide veje for dannelse af amorf calciumcarbonat fører til forskellige vandmiljøer og ledningsevne, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44381-x

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af University of Konstanz