Pärlor är bland naturens vackraste skapelser, och har varit uppskattade i otaliga århundraden. Under ens iriserande yta ligger en tuff och spänstig struktur gjord av intrikat arrangerade plattor av kalciumkarbonat organiserade av en besättning av proteiner som styr dess bildning och reparation.
Även om det är känt att pärlor är gjorda av kalciumkarbonat med en organisk matriskärna, rollen för proteinerna som modulerar organiseringen av dessa kristaller har, tills nyligen, varit oklart.
Forskare vid New York University College of Dentistry (NYU Dentistry) rapporterade rollen av två sådana proteiner, den första tvåproteinstudien i sitt slag, som reglerar processerna som leder fram till bildandet av pärlor. Studien publicerades online i juli i tidskriften Biokemi , en tidskrift från American Chemical Society.
En pärla är en biprodukt av ett ostrons försvarsmekanism, bildas som svar på skada på mantelvävnaden av ett irriterande ämne, såsom en parasit eller sandkorn. Fristående celler faller in i den inre vävnaden där de förökar sig och bildar en innesluten säckliknande struktur för att täta bort de skadade resterna. Denna hålighet fylls sedan med matrisproteiner följt av mineral.
Mineralet består av två kalciumkarbonatkomponenter:ett inre prismatiskt lager som kallas kalcit och ett yttersta lager som kallas aragonit eller det glänsande lagret. Båda lagren är kemiskt lika själva ostronskalet.
"I fallet med Pinctada fucata, ett japanskt pärlostron som skapar värdefulla pärlor för pärlindustrin, pärlbildningsprocessen förmedlas av en 12-medlemsproteinfamilj känd som Pinctada Fucata Mantle Gene, eller PFMG. PFMG1 och PFMG2 är en del av detta PFMG-proteom som inte bara bildar pärlan, men fungerar också som "underhållspersonal" som deltar i bildandet och reparationen av granaten, " förklarade John S. Evans, DMD, PhD, professor i grundläggande vetenskap och kraniofacialbiologi vid NYU Dentistry och studiens motsvarande författare.
Lite är känt om dessa proteiner förutom att de uttrycks i mantelvävnaden hos ostronet. Genom att använda de rekombinanta versionerna av PFGM1 och PFMG2, författarna använde flera karakteriseringstekniker för att studera beteendet hos proteiner och kristaller under olika förhållanden som efterliknar havsvattnet.
"Vad vi fann är att PFMG1 och PFMG2 kombineras för att bilda en hydrogel, och inom denna hydrogel spelar varje protein en specifik roll. PFMG2 bestämmer storleken på hydrogelaggregaten och reglerar den interna strukturen av proteinfilmerna, medan PFMG1 förbättrar stabiliteten hos små jonkluster som kombineras för att bilda kalciumkarbonatlager av pärlor, sa Gaurav Jain, PhD, en postdoktor i Dr Evans labb och studiens huvudförfattare.
"Dock, när mineralkristaller bildas, PFMG1 och PFMG2 arbetar tillsammans och sätter pricken över i:et genom att synergistiskt modifiera mineralkristallytorna och skapa inre porositeter. Interaktionerna mellan båda proteinerna förstärks av kalciumjoner, möjligen på grund av interaktioner mellan olika domäner av PFMG1 och PFMG2, sa Martin Pendola, PhD, också en postdoktor i Dr. Evans labb, en studie medförfattare.
"Pearl - som i huvudsak är en version av blötdjursskalet inifrån och ut - består av 95 procent kalciumkarbonat och 5 procent organisk matris. Denna sammansättning gör pärlan ungefär 1, 000 gånger segare än rent kalciumkarbonat - och ett av de mest motståndskraftiga och lätta materialen som finns i en levande organism, " sa Jain.
Denna forskning främjar inte bara förståelsen av de underliggande molekylära mekanismerna för pärlbildning, vilket kan få konsekvenser för kvalitet och produktivitet i pärlindustrin, men kan också hjälpa till vid utvecklingen av brottbeständiga material. Dessa fjädrande material kan ha en mängd olika tillämpningar, inklusive vid tillverkning av förbättrade tandimplantat, material för flygtillämpningar, eller energiöverföring.
