"För att skapa effektiva funktionella material, naturen erbjuder de bästa recepten genom att tillhandahålla evolutionärt framgångsrika koncept, säger Dennis Kurzbach från Institute of Biological Chemistry. Kredit:© Salme Taha Ali Mohamed
"Naturen avslöjar sig själv inför vetenskapen, " är en skulptur av Louis-Ernest Barrias som visas på Musée d'Orsay i Paris. Ett forskningssamarbete mellan universitetet i Wien och Sorbonne i Paris tog nu detta credo till sitt hjärta. "För att skapa effektiva funktionella material, naturen erbjuder de bästa recepten genom att tillhandahålla evolutionärt framgångsrika koncept, säger Dennis Kurzbach från Institute of Biological Chemistry. Kurzbach och hans kollegor tillämpade en gemensamt utvecklad teknologi, baserat på NMR-spektroskopi, för att avslöja biomineraliseringens hemligheter.
Att stänga luckor av precision
NMR (kärnmagnetisk resonans) är en viktig metod för att bestämma strukturerna hos molekyler i lösning, om än med begränsad upplösning. För att underlätta realtidsövervakning av snabba kemiska processer, Dennis Kurzbach och hans team utvecklade en ny prototyp som, baserat på hyperpolarisation (mer specifikt Dissolution Dynamic Nuclear Polarisation, D-DNP), ger forskarna upp till 10, 000 gånger förstärkta signaler i NMR-experiment.
Med denna D-DNP-prototyp, forskarna kan övervaka processer som äger rum på millisekunders tidsskala, samtidigt som enstaka atomer kan lösas upp. Prototypen omfattar ett redan patenterat system för att blanda olika interaktionspartners inom millisekunder och för att initiera realtidsdetektering.
Utfällning av joniska fasta ämnen från lösning
Dennis Kurzbach, expert på metodutveckling, startade proof-of-concept med sin parisiske kollega Thierry Azaïs, som var intresserad av en bättre förståelse för biomineraliseringens inledande steg. Genom att använda D-DNP-övervakning, forskarna undersökte snabb interaktionskinetik som den som ligger till grund för bildandet av pre-nukleationsarter som utvecklas inom millisekunder när kalcium- och fosfatjoner möts i lösning och som föregår icke-klassisk fast-vätskefasseparation. "För första gången, vi kunde analytiskt karakterisera dessa pre-kärnbildningsarter vid hög upplösning, "Kurzbach förklarar, som har etablerat den banbrytande tekniken i NMR Core Facility vid Kemiska fakulteten inom ramen för sitt ERC Starting Grant.
Genom att använda D-DNP-övervakning, forskarna undersökte snabb interaktionskinetik som den som ligger till grund för bildandet av pre-nukleationsarter som utvecklas inom millisekunder när kalcium- och fosfatjoner möts i lösning och som föregår icke-klassisk fast-vätskefasseparation. Kredit:Dennis Kurzbach
Med sina nya insikter och teknik, forskarna bidrar också med material till en långvarig dispyt om teorin bakom biomineraliseringen av kalciumfosfat. "Vissa forskare tvivlar på att arterna före kärnbildning kan integreras i det klassiska teoretiska ramverket som utvecklats under decennier, säger Dennis Kurzbach.
Forskarens studie ger också en kick-off för ett nyligen beviljat projekt finansierat av den österrikiska vetenskapsfonden FWF, där Kurzbach avser att använda sin teknologi för att främja karakteriseringen av biomineraler såväl som av de initiala kemiska processerna före kärnbildning. Till exempel, han syftar till att klargöra om storleken på den nyupptäckta arten är kontrollerbar och i så fall, om det är möjligt att konstruera framtida hårdhet eller sprödhet hos det makroskopiska materialet.
"Dessutom, det ska bli intressant att se om vi kan hjälpa till att lösa de nuvarande teoretiska bristerna, "Kurzbach säger, som tog examen inte bara i kemi, men också inom filosofi. "För mig, våra forskningsmål återspeglas också starkt av Aristoteles idéer:Alla människor strävar av naturen efter kunskap." D-DNP-tekniken gör det nu möjligt att fördjupa vår kunskap om materialens natur, som ger viktiga egenskaper åt människor och samhälle.
