Kalciumkarbonat, eller CaCO3, omfattar mer än 4 % av jordskorpan. Dess vanligaste naturliga former är krita, kalksten, och marmor, produceras genom sedimentation av skalen hos små fossiliserade sniglar, skaldjur, och koraller under miljontals år.

New York University College of Dentistry (NYU Dentistry) forskare studerar hur naturen skapar tredimensionella CaCO3 oorganiska/organiska baserade material för att bilda snäckskal, ryggradslösa exoskelett, och ryggradsdjursben, tandben, och emalj.

John Evans, DMD, PhD, en professor vid NYU Dentistry's Department of Basic Science and Craniofacial Biology, övervakar en forskargrupp som fokuserar på studier av proteiner som modulerar bildandet av biomineraler, som i sin tur skapar nya kompositmaterial med unika egenskaper, såsom ökat fraktur- och punkteringsmotstånd.

I en tidning som nyligen publicerades i Biokemi , Gaurav Jain, PhD, en postdoc i Dr Evans labb och medförfattare till "A model sea urchin spicule matrix protein, rSpSM50, är en hydrogelator som modifierar och organiserar mineraliseringsprocessen, " tittade på hur CaCO3-matrisen är organiserad inuti en sjöborre-spikel (se figur 1). Till en början, dessa spicules är inget annat än krita, men i kombination med sjöborreproteiner, de bildar små högar av "tegelstenar, " att skapa en struktur som ger något av det tuffaste försvaret mot rovdjur och svåra havsförhållanden.

"Primära mesenkymceller (PMC) inuti ett sjöborreembryo avsätter amorf CaCO3 i matrisen av spikelproteiner där dessa tegelstenar formas till lager av kalciumkarbonatkristaller, " konstaterar Dr. Jain. "Men, funktions- och monteringsförmågan hos individuella spikelmatrisproteiner är inte klara. Vi undersöker för närvarande ett sådant protein som finns inuti spiklarna på ett sjöborre-embryo för att förstå vad som gör dessa proteiner till så effektiva 'tegelorganisatörer'."

Forskarna tittade på SM50, ett av de mest rikliga och välstuderade proteinerna som finns inuti dessa spikler. De fann att en rekombinant version av SM50-proteinet, rSpSM50, är ett mycket aggregationsbenäget protein som bildar små geléliknande strukturer som kallas hydrogeler i lösning. Dessa "geléer" fångar upp små mineraliska nanopartiklar och organiserar dem i kristallina "tegelstenar". Dessutom, rSpSM50 orsakar ytstruktur och bildar slumpmässigt sammankopplade porösa kanaler inom dessa kristaller.

"Det unika med rSpSM50 är att det främjar bildandet och organisationen av två olika former av kalciumkarbonat - kalcit och vaterit inom själva" geléerna ", inducerar frakturmotstånd till den övergripande strukturen, " sa Dr Jain.

Forskare använde en specifik typ av titreringsmetod som avslöjade detaljerna om mycket tidiga händelser i spikelbildningen.

"rSpSM50 visar sig vara en riktigt viktig pusselbit, eftersom det saktar ner bildningskinetiken men varken stabiliserar eller destabiliserar de extremt små mineralpartiklarna som i slutändan bildar dessa tegelstenar, säger medförfattaren Martin Pendola, Doktorsexamen.

CaCo3 har alltid varit mannens favoritkonstruktionsmaterial för att göra primitiva verktyg, musikinstrument, och hantverk sedan civilisationens början. I modern tid, CaCO3 är det mest använda mineralet i papper, plast, färg- och beläggningsindustrin både som fyllmedel – och på grund av sin speciella vita färg – som beläggningspigment.

"Vår nuvarande forskning, finansierad av U.S. Department of Energy, kommer att göra det möjligt för forskare att bättre förstå mineraliserings- och sammansättningsprocessen som är avgörande för spikelbildning i sjöborre, "sa Dr Evans." Vårt slutliga mål är att bestämma molekylära egenskaper hos dessa proteiner som gör att matriser kan samlas, mineralisera, och delta i bildandet av naturligt förekommande organiska/oorganiska skelettstrukturer. Förhoppningen är att den omfattande förståelsen av spiculeproteiner kommer att möjliggöra utvecklingen av avstämbara frakturbeständiga material som en dag kommer att finna sin användning för att utveckla lättvikts "pansar" och "stabilare" dentala kompositer."